FR2481193A1 - Procede de fabrication de cellules a membranes ondulees pour la realisation d'echanges entre des fluides - Google Patents

Abstract

PROCEDE DE FABRICATION DE CELLULES A MEMBRANES ONDULEES POUR LA REALISATION D'ECHANGES ENTRE DES FLUIDES. ON FABRIQUE LA CELLULE A L'AIDE DE MEMBRANES DE FIBRES ELASTIQUES ARTIFICIELLES DONT LES FILAMENTS ONT UN DIAMETRE DE 3 A 20 MICRONS. LES FIBRES SONT GROUPEES DE FACON LACHE EN DES BANDES QUI SONT ONDULEES, PUIS ASSEMBLEES PAR MONTAGE ALTERNATIF D'UNE BANDE LISSE ET D'UNE BANDE ONDULEE ET COLLAGE DES ZONES DE CONTACT POUR FORMER DES PASSAGES POUR LES FLUIDES. LES ESPACES ENTRE LES FIBRES DE LA CELLULE ASSEMBLEE SONT ENSUITE REMPLIS D'UNE POUDRE FINE LIEE PAR UN LIANT MINERAL DONNANT DE LA COHESION A CES MEMBRANES A ARMATURE DE FIBRES. DE TELLES CELLULES PEUVENT TOURNER DANS UNE ENVELOPPE FIXE ET SERVIR A DES ECHANGES DE CHALEUR ETOU D'HUMIDITE ENTRE DEUX COURANTS GAZEUX QUI LES TRAVERSENT.

Description

2481 9,3

La présente invention concerne un procédé pour fabriquer des cellules en vue de permettre à un fluide de subir l'influence d'un autre fluide, l'un au moins de ces

fluides étant un gazo Dans un domaine important duappli-

cation de l'invention9 de telles cellules ou de tels contacteurs sont destinés à servir dans des régénérateurs

par échange de chaleur et/ou d'humidité entre deux cou-

rants de gaz (air> qui traversent la cellule en y emprun-

tant des sones séparées9 cependant que la cellule et les

entrées et sorties des deux fluides effectuent un mouve-

ment relatif, obtenu par eemple du fait que la cellule peut tourner dans une enveloppe stationnaire. La cellule est composée de minces ïen-ranes onduless en totalité ou en partie et qui sont ensuite disposées de façon a s'appuyer l'une sur l'autre le long de lignes discontinues de contact afin de formez des passages ou compartiments débouchants. Les membranes ont jusqu'à présent été réalisées en de la feuille de fibre de cellulose ou d'amiante, qui est imprégnée pour lui conférer la résistance mécanique nécessaire, et Civers types de r6sines et aussi des substances minérales ont servi à rendre les membranes diffici!es brQl!Er Lorsque l'on souhaite enslever un constituant de l'un des milieux, par exemple enlever la

vapeur d'eau de!lair, une pratique connue consiste égale-

ment & imprégner les membranes à l'aide de substances

possédant une propriété voulue comme de l'hygroscopicité.

On sait en outre en pratique réaliser des contacteurs ou des cellules en film de matière plastique ou en de la feuille mince d'alumainium ou en des feuilles de matière céramique. Des exemples de textes publiés contenant des applications de ces procédés antérieurs sont les brevets suédois n0 206 020e no 212 488, no 222 134 (US-A-3 307 617), n 307 963 (US-A-3 263 682), n 350 329 (US-A-3 807 149),

n 391 708.

On a également tenté de fabriquer des cellules formées de fibres minérales artificielles ou naturelles, comme de la laine de verre. Contrairement à la fibre d'amiante, composée de faisceaux de fibrilles extrêmement fines, ces fibres sont du type monofilament, ce qui permet de choisir un diamètre de filament assez gros pour éliminer pour l'environnement et la santé des risques dûs

à une inhalation de fines particules de fibres en suspen-

sion. Cependant, le gros diamètre des fibres rend en même temps difficile le traitement des membranes de fibres du fait que celles-ci sont élastiques et ne se ramollissent pas lors du dépôt, en suspension aqueuse, sur la toile métallique d'un presse-pâte. Les fibres ne peuvent être entremêlées, comme dans le cas des fibres de cellulose ou d'amiante. On obtient ainsi une structure fibreuse

perméable comportant des espaces libres entre les fibres.

On vient de trouver qu'il est possible de fabriquer une cellule de laine minérale du type monofilament, possédant d'excellentes propriétés de rigidité et de résistance mécanique et capable également d'un rendement élevé, par exemple pour-le transfert de la chaleur et de la vapeur

d'eau entre deux courants d'air.

L'invention se caractérise essentiellement par le fait que la cellule est constituée de membranes de fibres artificielles, comme des fibres d'amiante, qui ont au moins 3 microns et au maximum 20 microns de diamètre, sont élastiques et groupées en un ruban lâche, de sorte que, quand les espaces entre les fibres de la cellule assemblée sont emplis d'une poudre fine, liée par un liant minéral, cette poudre forme une couche pouvant supporter une charge, qui présente de la cohésion aussi bien sur toute la surface de la membrane qu'en travers de celle-ci, et dans laquelle les fibres jouent le rôle

d'une armature.

Du fait que les fibres de verre ne peuvent être entremêlées sur un pressepâte de la même façon que des fibres de cellulose ou d'amiante pour donner une feuille douée de cohésion, les fibres de verre de cette feuille sont groupées en un ruban relativement lâche, rendant la feuille perméable, de sorte qu'un fluide gazeux peut la traverser sans qu'elle lui oppose beaucoup de résistance. Une telle feuille ne convient pas pour constituer, par exemple, un régénérateur du type précité par échange de chaleur et/ou d'humidité, appareil dans lequel les deux courants de fluide doivent emprunter les passages de la cellule sans se mélanger

l'un à l'autre.

Selon l'invention, les feuilles de laine de verre peuvent être ondulées et les membranes unies l'une à l'autre avant addition d'une charge quelconque à la feuille, l'ondulation étant réalisée pendant que la feuille consiste essentiellement en des fibres. Si la feuille de laine de verre est terminée par addition de la charge en cause avantondulation, comme dans le cas d'un papier de cellulose, cette feuille risque de se briser dans la machine à onduler. L'invention permet par ailleurs d'ajouter à la structure fibreuse de la cellule à demi-terminée une quantité de poudre suffisante pour conférer à la cellule une rigidité et une résistance mécanique remarquables ainsi que les autres propriétés

qui lui sont nécessaires pour un fonctionnement approprié.

Selon l'invention, la feuille de fibres con-

tient des fibres artificielles, par exemple des fibres extrudées d'une laine minérale comme de la laine de verre ou de la laine de laitier. La feuille ou membrane

est formée en une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,25 mm.

Le diamètre des fibres du type monofilament se situe de préférence entre 5 et 10 microns, cependant que leur longueur peut être de 5 à 15 mm. Le grammage d'une telle feuille de "papier" doit se situer entre 15 et 60 g au m2 et de préférence entre 20 et 40 g au m. En raison de la texture lâche des fibres minérales, le volume des fibres est faible et représente notamment aussi -peu que 5 à

% du volume de la feuille.

On fabrique avantageusement une cellule, destinée par exemple à un échangeur de régénération, en collant tout d'abord à l'aide d'un adhésif des bandes alternativement lisses et ondulées d'une feuille de fibres minérales dans une machine à onduler pour former ce qu'on pourrait appeler du "carton" ondulé simple face, qui est ensuite enroulé en spirale sur un rouleau ou rotor cylindrique de diamètre voulu, les spires du "carton" simple face étant de même collées l'une à l'-autre par un adhésif. Cela donne une structure comportant des tubes formés d'ondulations parallèlesdisposés entre les deux faces planes du rotor et séparés les uns des autres par les lignes de contact entre les membranes. L'agent de liaison ou de collage des membranes, placé le long de la ligne de contact, peut être un adhésif organique, qui peut éventuellement être du type thermo-durcissable, comme un alcool polyvinylique, ou-dans certains cas être un adhésif

minéral comme du silicate ou verre soluble.

Lorsqu'une cellule à demi-terminée a été montée de cette façon à l'aide d'une feuille de "papier" de fibres minérales, la structure des membranes est garnie d'une poudre servantd'une part,à conférer de la rigidité et de la résistance mécanique à la cellule et à rendre1

d'autre partiles membranes imperméables sur leur épaisseur.

La poudre sert en outre à accroître les surfaces actives des membranes en vue de l'échange voulu entre les deux fluides, et à améliorer le rendement de l'échangeur à d'autres égards, par exemple à en augmenter la capacité

de séchage si le dispositif est utilisé dans un déshumidifi-

cateur. En raison de la texture lâche des fibres dans la feuille, le poids de la poudre ajoutée doit excéder le poids des membranes fibreuses. Ainsi, le poids de la

poudre peut excéder d'au moins 25 à 50 % celui des mem-

branes fibreuses.

Si la cellule est destinée à servir dans un déshumidificateur en rvue du séchage d'un courant d'air, la charge peut posseder des propriétés hygroscopiques, coamme dans le cas des tamis moléculaires, du gel de silice ou d'un hydroxyde d'aluminium ou d'un de leurs mélanges. Cependant, la charge peut consister également, au moins en partie, en du kaolin ou en des substances semblables. La charge est appliquée aux membranes par imprCgnetion à l'aide d'u ie suspension dans un liquide tel que l'eau, puis la cellule est sSéchée. Elle possède alors juste asses de resistance mécanique pour pouvoir subir me imprégnation! l'aide d'une ou plusieurs autres substances qui lient les grains de la poudre les uns aux at.tres et azux fibres. Un exemple d'une telle -substance est du silicate ou verre soluble9 qui peut ensuite être converti en mne forme insoluble dans l"eau, le bioxyde de silicium, par traitement par du gaz carbonique, comme décrit par exemple dans le brevet US-A-3 726 706. Le verre soluble peut également être mis en réaction avec une substance coneine un sel, par exemple du chlorure de calcium9 qui donne cozrxe produit final un silicate insoluble La cellule peut être calcinée de façon déjà connue comme décrit dans le brevet suédois no 223 182D afin de rendre le produit final complètement incombustible,

c'est-à-dire le débarrasser complètement des agents orga-

niques de liaison ou de collage qui ont servi (en représen-

tant habituellement une proportion d'environ 10 %) à lier les fibres pour fozmer des membranes et éventuellement

aussi pour l'assemblage de la cellule.

La charge introduite dans la structure des membranes peut consister en du charbon actif ou en d'autres substances organiques en poudre, comme des agents polymères d'adsorption, notamment si les cellules sont destinées à l'épuration d'un gaz ou de l'air pour en

éliminer lesimpuretés gazeuses.

Les conduits ou passages formés par les membranes fibreuses de la cellule ou du rotor ont, comme on le savait déjà, une faible section. Ainsi, la distance moyenne entre les membranes peut être inférieure à 3 mm et peut se situer par exemple entre 0,5 et 1,5 mm. Comme les membranes sont alternativement lisses et ondulées, cela implique que l'espacement des membranes lisses est inférieur à 6 mm;

il se situe de préférence autour de 1 à 3 mm.

Comme antérieurement mentionné, l'épaisseur de la feuille de fibre de verre doit se situer dans une certaine gamme pour en permettre l'ondulation, de sorte

que le volume de charge absorbée par la structure résul-

tante peut s'avérer trop faible pour garantir les propriétés voulues pour certaines applications. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, on peut, lorsque la structure est constituée de membranes alternativement lisses et ondulées, apporter un remède en utilisant comme membrane

lisse une membrane plus épaisse que la membrane ondulée.

Ainsi, la membrane lisse va contenir ou absorber davantage de charge et l'on pourra ainsi obtenir dans un volume global donné les quantités ou proportions de charge voulues

dans la structure.

L'exemple non limitatif suivant est destiné à

mieux faire comprendre l'invention.

EXEMPLE

On réalise un rotor à l'aide d'une feuille composée de fibres de verre dont le diamètre moyen est

de 6,3 microns. L'épaisseur de la feuille est de 0,2 mm.

A l'aide d'un adhésif sous forme d'un alcool polyvinylique, on colle deux bandes d'une telle feuille de "papier", de 20 cm de largeur, après avoir soumis l'une des bandes à de l'ondulation donnant une hauteur des ondulations de 2 mm, afin de former, selon la demande de brevet suédois

no 80-02 351-8, une sorte de "carton" ondulé simple face.

La bande ondulée simple face est ensuite--enroulée en spirale pour former un rotor cylindrique dont les spires

sont collées l'une à l'autre par les crêtes des ondula-

tions. La cellule à demi-terminée ainsi formée présente une masse volumique apparente de 50 kg par mû. On applique

ensuite aux membranes fibreuses une quantité d'une sus-

pension aqueuse de tamis moléculaire en poudre fine telle

que la masse volumique apparente du rotor, après élimina-

tion de l'eau par ébullition,est de 120 kg par m, ce qui revient à dire que les membranes ont absorbé une quantité de poudre excédant considérablement le poids des membranes de fibres de verre elles-mêmes. Dans l'étape suivante de la fabrication, on stabilise dans la structure fibreuse la charge de poudre à l'aide d'une solution

alcaline aqueuse de silicate de sodium. On précipite en-

suite le bioxyde de silicium par traitement par du C02,

comme décrit dans le brevet précité US-A-3 726 706.

On convertit le bioxyde de silicium en une forme solide insoluble par chauffage du rotor à 3500C au moins, et la structure du rotor possède alors la résistance mécanique requise. Comme décrit ci-dessus, ce chauffage élimine les constituants organiques de la cellule. La masse volumique apparente finale du rotor est de 160 kg par m3i Puisque la masse volumique de la poudre peut être considérée comme approximativement égale à celle des fibres de verre, il résulte de ce qui précède que le volume de la poudre est supérieur, et de préférence nettement supérieur, au volume des fibres de verre dans la section de la feuille ou de la membrane. En raison de la texture lâche des fibres, la quantité de poudre

doit être assez grande pour rendre les membranes pratique-

ment imperméables à du gaz. De cette façon, les passages individuels ménagés dans le rotor sont latéralement

séparés les uns des autres.

Dans un rotor construit selon l'exemple ci-

dessus, la charge peut consister en du charbon actif en poudre utilisé en une quantité correspondant à une masse volumique de 75 à 150 kg par m. Ainsi, la proportion de la poudre peut représenter plusieurs fois le poids des fibres. La quantité de poudre utilisée peut être si grande que la membrane résultant de l'imprégnation est plus épaisse que la membrane fibreuse d'origine et que son épaisseur excède donc celle des fibres. Dans ce cas également, après stabilisation et liaison de collage de la poudre, on obtient une couche de poudre qui présente de la cohésion dans toute sa section et dans laquelle les

fibres jouent le rôle d'une armature centrale de renfor-

cement.

Le procédé de l'invention peut également s'appli-

quer à la réalisation de supports de catalyseurs et de dispositifs semblables dans lesquels un seul fluide

traverse la cellule.

Les bandes formées par les feuilles de "papier" sont de préférence ondulées et reliées ou collées l'une à l'autre avant l'absorption d'une charge quelconque par la feuille. Cependant, des quantités limitées d'une charge peuvent, dans certains cas, être présentes dans la

feuille avant qu'on la soumette à ces opérations d'ondula-

tion et de collage.

Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être

apportées au procédé décrit ci-dessus.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour fabriquer des cellules destinées à permettre à un fluide de subir l influence d'un autre fluide s'exerçant par l'intermédiaire de minces membranes d'une fibre minérale artificielle, r membranes qui sont ondulées sur leur totalité ou en partie, que l'on fait porter l'une sur l'autre le long de lignes discontinues

de contact et qui forment entre elles des passages ou com-

partimrents débouchants. permettant le déplacement des fluidese procédé caractérisé en ce qu'on fabrique la cellule en assemblant des membranes de fibres artificielles dont les filaments ont un diamètre d'au moins 3 microns

et d'au maximum 20 microns, qui sont élastiques et lache-

ment texturées1et en garnissant les espaces des fibres des cellules a l'aide d'une fine poudre liée par un liant minéral1de sorte que cette poudre forme une couche capable de supporter une chlarge, qui présente de la cohésion sur toute la surface des membranes et sur toute leur section et dans laquelle les fibres jouent le rôle d'une armature centrale de renforcement.o

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les membranes sont formées par des feuilles de ces fibres et en ce que le gratnage de ces feuilles se situe entre 15 et 60 g au m2 et de préférence entre 20 et 40 g au oa2

3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2,

caractérisé en ce que les membranes fibreuses ont une épaisseur compriseentre 0,1 et 0,25 mmo

4. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions précédentes, caractérisé en ce que le poids de la poudre est au moins égal au poids des fibres et lui est

de préference supérieur de 20 % à 50 %.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise une

poudre qui est de façon inhérente hygroscopique.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liant utilisé est un composé du silicium, par

exemple un oxyde ou un silicate.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise la cellule en montant en alternance des feuilles lisses et des feuilles ondulées, les feuilles lisses étant plus

épaisses que les feuilles ondulées.