LU81375A1 - Dispositif de traversee ou de permeation pour separer un fluide a partir d'un melange de fluides,renfermant des fibres creuses selectivement permeables - Google Patents
Dispositif de traversee ou de permeation pour separer un fluide a partir d'un melange de fluides,renfermant des fibres creuses selectivement permeables Download PDFInfo
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Description
1.
La présente invention se rapporte à un dispositif pour séparer au moins un fluide à partir d'un mélange de fluides, contenant au moins un autre composant par perméation ou traversée sélective d'au moins un fluide à travers des membranes.
5 L'utilisation de membranes pour séparer au moins un fluide à partir d'un mélange de fluides contenant au moins un autre composant a été suggérée depuis longtemps. Dans ces séparations par membranes, des fluides perméables dans le mélange de fluides (mélange d'alimentation) passent, sous l'influence d'une force d'en-10 traînement telle que la concentration, la pression partielle, la pression totale, etc. (selon la nature de la membrane et de l'opération de séparation) d'un côté alimentation de la membrane à un côté de la membrane où se trouve le produit ayant traversé. Le fluide peut traverser la membrane par interaction avec la matière de la 15 membrane ou par écoulement dans des interstices ou des pores présents dans la membrane. Les séparations effectuées par des membranes peuvent comprendre des séparations gaz-solide, liquide-solide, gaz-gaz, gaz-liquide et liquide-liquide.
La viabilité de l'utilisation des membranes pour des 20 séparations par fluide, par comparaison avec d'autres modes opératoires de séparation tels que l'absorption, 1'adsorption, la distillation et la liquéfaction, dépend souvent du prix de revient, du degré de sélectivité de séparation qui est souhaité, des pertes totales de pression provoquées par le dispositif pour conduire le mode 25 opératoire de séparation qui peut être toléré, de la durée d'utilisation de ces dispositifs, et de la dimension et de la facilité d'utilisation de ces dispositifs. Des membranes à film peuvent fréquemment ne pas être aussi intéressantes que d'autres dispositifs de séparation, par suite de la nécessité, pour les membranes à film, 30 d'être supportées pour résister aux conditions opératoires et à la complexité globale du dispositif contenant les membranes à film.
Les membranes sous la configuration de fibres creuses, ou de filaments creux, peuvent surmonter certains des défauts des membranes à film pour de nombreuses opérations de séparation,du fait que 35 les fibres creuses sont généralement à auto-support, même durant les conditions opératoires, et fournissent une plus grande valeur de sur-; face unitaire de membrane par unité de volume du dispositif de sé- 33 paration que ce qui est fourni par les membranes à film. Ainsi, le 2.
dispositif de séparation contenant des fibres creuses peut être intéressant du point de vue de la commodité de la dimension et de la réduction de complexité de la conception.
Les deux voies d'approche qui ont principalement été pro-5 posées pour un dispositif pour les séparations de fluides en employant des membranes à fibres creuses utilisent plusieurs fibres creuses, généralement agencées parallèlement suivant un faisceau allongé. Une voie d'approche comprend des dispositifs de perméation ou de traversée à alimentation radiale, par exemple un dispositif de 10 séparation où le fluide, à l'extérieur des fibres creuses, passe principalement à travers le dispositif de traversée, transversalement par rapport à l'orientation longitudinale prédominante des fibres creuses. L'autre voie d'approche comprend des dispositifs de traversée à alimentation axiale, par exemple un dispositif de sépa-15 ration où le fluide, à l'extérieur des fibres creuses, passe principalement à travers le dispositif de traversée dans la même direction que l'orientation longitudinale des fibres creuses. L'écoulement transversal du fluide parmi les fibres creuses est au moins partiellement dû à des dispersions provoquées par des contre-pres-20 sions à l'écoulement du fluide dans le dispositif de traversée. L'efficacité de séparation pour un dispositif de traversée contenant des fibres creuses dépend de la distribution efficace du fluide à l'extérieur des fibres creuses. Des dispositifs de traversée à alimentation radiale présentent généralement de plus grandes efficaci-25 tés de séparation que des dispositifs de traversée à alimentation axiale, puisque, pour sortir d'un dispositif de traversée à alimentation radiale, le fluide doit passer transversalement parmi'les fibres creuses. D'autre part, dans des dispositifs de traversée à alimentation axiale,1a dispersion du fluide parmi les fibres creuses 30 dans le dispositif de traversée n'est pas assurée. Malgré les défauts qui peuvent exister dans la dispersion de fluide autour des extérieurs des fibres creuses dans des dispositifs de traversée à alimentation axiale, ces dispositifs de traversée présentent des avantages importants, exprimés par la réductiondes difficultés de 35 construction et de la complexité par rapport aux dispositifs de traversée à alimentation radiale. Un autre avantage important des dispositifs de traversée à alimentationaxiale est l'avantage des 38 configurations d'écoulement à contre-courant ou à courants dans le 3.
même sens, par rapport au passage du fluide dans les trous et aux extérieurs des fibres creuses.
Alors que l'efficacité de séparation des dispositifs de traversée à alimentation axiale pourrait être renforcée en intro-5 duisant le mélange d'alimentation contenant le fluide à séparer dans les trous des fibres creuses, ce mode opératoire est souvent indésirable par suite des chutes de pression importantes qui pourraient être rencontrées dans le passage du mélange de fluides à travers les trous des fibres creuses. Même avec une alimentation Iq dans les trous, un certain sacrifice de l'efficacité de séparation peut encore se produire par suite de la .mauvaise distribution du produit ayant traversé, par exemple, des régions localisées ou des poches, de produit ayant traversé du côté enveloppe des fibres creuses. En outre, dans certaines opérations de séparation, il est sou-P5 haitable de fournir le mélange d'alimentation ä l'extérieur des fibres creuses puisque ce mélange est à une pression totale supérieure à la pression totale sur la face de la membrane où se trouve le produit ayant traversé. De plus, si le bouchage ou l’encrassement de la membrane dû à des composants dans le mélange d'alimentation 2o pose un problème, tous les blocages provoqués par l'encrassement peuvent entraîner une moindre surface spécifique de membrane disponible perdue lorsque l'encrassement est à l'extérieur des fibres creuses plutôt que de bloquer ou de bloquer partiellement l'un quelconque des trous des fibres creuses. En outre, la fabrication du 25 dispositif de traversée peut être facilitée puisque, quand le mélange de fluides contenant le fluide à séparer est mis en contact avec l'extérieur des fibres creuses, souvent seule une extrémité de chacune des fibres creuses a besoin d'être fabriquée pour former un joint, ou feuille de tubes, afin de permettre la communication par 30 fluide à partir des trous des fibres creuses jusqu'à l'extérieur du dispositif de traversée.
En conséquence, un moyen pour renforcer les efficacités de séparation des dispositifs de perméation ou de traversée à alimentation axiale est recherché. Rosenblatt, dans le brevet américain -35 n° 3.616.928,décrit l'utilisation de fibres creuses fortement ondule« pour l'utilisationcomme membranes de séparationdans un dispositif = de perméation ou de traversée, à alimentation axiale. Les fibres on-38 dulées sont liées de manière adhésive les unes aux autres, à plu- 4.
sieurs surfaces de butée, afin de maintenir la relation spatiale désirée entre les fibres creuses. Alors que l'efficacité de séparation peut être élevée, il apparaît que par suite de la nature fortement ondulée des fibres creuses on fournit une moindre sur-5 face spécifique de membrane, par unité de volume du dispositif, que celle qui pourrait être disponible dans un dispositif de perméation ou de traversée à alimentation radiale, ayant la même efficacité ou une efficacité supérieure de séparation.Bien que ce brevet ne fournisse pas d'indication générale sur la proportion 10 de la surface transversale du dispositif de perméation ou de traversée qui est occupée par les fibres creuses (c'est-à-dire le facteur de tassement ou la densité de tassement), cette proportion semble être relativement faible, par exemple environ 16 % dans l'exemple 4, par comparaison avec des dispositifs de traversée ou de 15 perméation classiques où l'alimentation est introduite dans les trous des fibres creuses (une proportion souvent d'environ 45 à 60 % ou plus est illustrée dans le brevet américain n° 3.339.341, à la colonne 5, lignes 10 à 25). De plus, la liaison adhésive essentielle des fibres creuses pour maintenir leurs relations spatiales exi-20 ge une étape de traitement supplémentaire, et l'adhérence réduit la surface spécifique de membrane disponible pour effectuer la séparation des fluides.
Plus récemment, Leonard dans la demande de brevet américain n° 855.850 déposée le 30 novembre 1977 sous le titre î "Fibres 25 creuses ondulées pour la séparation de fluides et faisceaux contenant les fibres creuses" décrit des membranes de séparation à fibres creuses ayant des ondulations, ou frisures, à amplitude relativement faible qui peuvent être assemblées en faisceaux pour fournir des facteurs de tassement élevés de manière souhaitable dans des dis-30 positifs de traversée, tout en fournissant une bonne distribution de fluide. Bien que les membranes de séparation à fibres creuses décrites par Leonard puissent fournir de bonnes efficacités de séparation, tout en utilisant des facteurs de tassement élevés de manière souhaitable, des difficultés qui peuventaffecter défavorable-35 ment les efficacités de séparation peuvent encore se produire.
Par exemple, les fibres creuses peuvent se déplacer, par suite, par exemple, de l'influence des écoulements de fluides durant l’opëra-38 tion de séparation ou de l'influence de la pesanteur (par exemple 5.
décantation) pour former des canaux longitudinaux ayant peu de fibres creuses, si toutefois il y en a. Ainsi, le fluide passera préférentiellement à travers les canaux localisés, par opposition à une dispersion parmi les fibres creuses. Cette formation de canaux 5 peut en conséquence conduire à des pertes d'efficacité de séparation. La formation de canaux, bien sûr, peut se produire dans des dispositifs de traversée employant des fibres creuses qui n'ont pas du tout d'ondulation.
Un procédé pour réduire l'effet de la formation de canaux 10 est d'augmenter le nombre de fibres creuses dans le dispositif de traversée, de manière telle que des canaux nocifs ne puissent pas ; facilement se former. Cependant, lorsque le nombre de fibres creu ses augmente, la difficulté d'insertion des fibres creuses dans l'enveloppe du dispositif de traversée augmente également. Claire-15 ment, l'insertion des fibres creuses dans l'enveloppe doit être conduite sans entraîner d'endommagement indésirable aux fibres creuses. En outre, on a trouvé que même de légères augmentations des facteurs de tassement,provoquées par l'augmentation du nombre de fibres creuses dans le dispositif de traversée, fournissaient 20 des résistances beaucoup plus importantes aux gaz se dispersant dans une direction radiale parmi les fibres creuses. Maxwell et collaborateurs dans le brevet américain n° 3.339.341 décrivent un dispositif de séparation par fibres creuses, où le mélange de fluides contenant le fluide à séparer est envoyé dans les trous des fibres creu-25 ses. Ce brevet indique, à la colonne 5, lignes 24 et suivantes, que des densités de tassement de plus de 40 % sont préférées et que ces densités de tassement, n'empêchent pas tout mouvement du fluide dans les faisceaux et hors des faisceaux entre les fibres creuses, mais elles amènent vraiment les fluides à l'extérieur des fibres 30 creuses à s'écouler le long et dans la direction de ces fibres creuses. Cet objectif peut être ainsi contraire à l'obtention d'une bonne dispersion radiale des fluides parmi les fibres creuses dans un dispositif de traversée ou de perméation. Maxwell et collaborateurs, indiquent que l'emploi d'un gaz de balayage aux extérieurs 35 des fibres creuses est un mode préféré de fonctionnement (voir colonne 7, ligne 5 et suivantes). Apparemment, la distribution radiale désirée par Maxwell et collaborateurs, quand on emploie un fluide 38 de balayage, est favorisée en utilisant plusieurs sous-groupes 6.
espacés, ou sous-faisceaux, de manière telle que le fluide de balayage puisse radialement passer entre les sous-faisceaux. En conséquence, par suite du moindre diamètre, le fluide de balayage peut plus facilement se disperser dans la partie médiane d'un 5 sous-faisceau qu'à partir de l'extérieur jusque dans la partie médiane d'un faisceau ne contenant pas ces sous-faisceaux. Malheureusement, la préparation de sous-faisceaux exige des étapes de traitement supplémentaires dans la fabrication des dispositifs de séparation et, également, des canaux peuvent exister entre les sous-10 faisceaux, ces canaux réduisant l'efficacité de séparation du dispositif de séparation.
Par suite des difficultés dans la fabrication de dispositifs de traversée à alimentation axiale, qui présentent des efficacités de séparation commercialement souhaitables, il n'est pas 15 surprenant que peu d'efforts de recherche et de développement aient été consacrés à la fabrication de dispositifs de traversée à alimentation axiale. Au contraire, des efforts importants ont été consacrés à la fabrication de dispositifs de traversée à alimentation radiale, où 1'obtention d'efficacités élevées de séparation est 20 davantage assurée, spécialement si le mélange d'alimentation doit être envoyé aux extérieurs des fibres creuses. Cependant, comme indiqué ci-dessus, des dispositifs de perméation ou de traversée, à alimentation axiale peuvent fournir des avantages importants par rapport aux dispositifs de perméation à alimentation radiale, si 25 des moyens non complexes sont fournis pour augmenter de manière fiable les efficacités de séparation présentées par des dispositifs de traversée à alimentation axiale.
~ Par la présente invention, on prévoit des dispositifs de traversée à alimentation axiale, contenant des membranes de sëpa-30 ration à fibres creuses pour la séparation, par la perméation ou traversée sélective, d'au moins un fluide à partir d'un mélange d'alimentation de fluides contenant au moins un autre composant, ces dispositifs de traversée présentant des efficacités fortement souhaitables de séparation, dues à une bonne dispersion du fluide - 35 à l'extérieur des fibres creuses. De manière avantageuse on peut fabriquer des dispositifs de traversée à alimentation axiale de la présente invention employant des facteurs de tassement élevés 38 des fibres creuses, qui rendent efficaces l'utilisation du volume du dispositif de traversée; cependant, le facteur de tassement n'a pas besoin d'être si élevé que cela présente des difficultés dans la fabrication du dispositif, ou un risque excessif d'endommage- » 7.
ment aux fibres creuses. Les avantages des dispositifs de traversée de la présente invention peuvent être atteints avec des modi-5 fications relativement non complexes des conceptions de dispositifs de traversée à alimentation axiale existant déjà, avec peu d'augmentation (si toutefois il y en a) d'efforts de fabrication. De plus, de nombreux dispositifs de traversée à alimentation axiale, existant déjà, peuvent être facilement modifiés pour fournir des dispo-10 sitifs de traversée selon la présente invention, qui présentent des efficacités renforcées de séparation.
Le dispositif de perméation à alimentation axiale de la présente invention pour séparer, par traversée sélective, au moins un fluide à partir d'un mélange de fluides d'alimentation contenant 15 au moins un autre composant comprend une enveloppe allongée imperméable au fluide, ayant au moins une extrémité adaptée pour rece voir une feuille de tubes; plusieurs fibres creuses sélectivement perméables, ces fibres creuses ayant une surface extérieure (côté enveloppe) et un trou et ces fibres étant généralement placées 20 parallèlement dans l'enveloppe pour former un faisceau allongé de fibres creuses; au moins une feuille de tubes, cette feuille de tubes étant en relation étanche au fluide avec l'enveloppe où au moins une extrémité de chacune des fibres creuses est encastrée suivant une relation étanche au fluide dans la feuille de tubes et 25 où les trous des fibres creuses communiquent à travers la feuille de tubes; au moins un orifice d'entrée de fluide communiquant à travers l'enveloppe et au moins un orifice de sortie de fluide, distant longitudinalement, communiquant à travers 1'enveloppe,les orifices d'entrée et de sortie étant en communication avec l'exté-30 rieur des fibres creuses et adaptés pour fournir un écoulement axial de fluide dans l'enveloppe; et des moyens pour compacter longitudinalement ce faisceau le long de l'axe de son allongement.
De manière surprenante, on a trouvé que le compactage lontitudinal du faisceau de fibres creuses peut renforcer les efficacités des 35 séparations de fluides, qui peuvent être présentées en utilisant le dispositif de perméation ou de traversée. Alors que le compactage longitudinal augmente le facteur de tassement pour un volu-33 me donné du dispositif de traversée (facteur de tassement volumétri- 8.
que) , cette augmentation peut être réalisée sans augmenter le nombre de fibres creuses dans le dispositif de traversée, en facilitant ainsi le montage du dispositif de traversée sans risque excessif d'endommagement aux fibres creuses. On a trouvé que cette 5 augmentation du facteur de tassement volumétrique tendait à réduire la présence, ou la sensibilité à la formation, de canaux dans le dispositif de traversée sans augmenter excessivement la résistance à la dispersion radiale de fluide parmi les fibres creuses dans le faisceau. Dans certains cas, la résistance à la disper-• sion transversale du fluide dans le faisceau peut être diminuée.
Selon la présente invention, le compactage longitudinal du faisceau de fibres creuses peut être effectué par n'importe quel moyen convenable. De préférence, le moyen pour le compactage longitudinal n'est pas nocif pour les fibres creuses et n'affecte 15 pas de manière contraire la distribution d'écoulement de fluide dans le dispositif de traversée. Les moyens pour le compactage longitudinal du faisceau de fibres creuses doivent fournir un compactage longitudinal suffisant pour que l'efficacité de séparation du dispositif de traversée soit renforcée. Souvent, l'importance 20 du compactage nécessaire pour renforcer l'efficacité de séparation peut être relativement faible. Le compactage longitudinal est de préférence suffisant pour renforcer la stabilité des fibres creuses contre tout mouvement dû à la force de la pesanteur et/ou aux forces fournies par l'écoulement de fluide durant les opëra-25 tions de séparation. Un procédé pour décrire la valeur du compactage longitudinal est le pourcentage de différence entre la longueur non compactée du faisceau et la longueur compactée du faisceau, en se basant sur la longueur non compactée du faisceau. La longueur du faisceau est la longueur longitudinale moyenne de la 30 zone du faisceau contenant les fibres creuses avec la surface spécifique disponible pour effectuer la séparation. La longueur non compactée du faisceau est la longueur quand le faisceau est dans un état relâché et verticalement suspendu sous l'influence de la pesanteur. Fréquemment, le pourcentage de compactage longitudinal . 35 est au moins environ 0,5 %, par exemple, environ 0,7 à 10 %, En tout cas, la valeur du compactage longitudinal est,de manière très s souhaitable, suffisante pour augmenter le contact des fibres creu- 38 ses à l'extérieur du faisceau avec l'intérieur de l'enveloppe. Ainsi, l'existence de canaux longitudinaux entre la périphérie du faisceau et l'enveloppe, ces canaux diminuant l'efficacité de 9.
* , séparation, peut être évitée ou réduite de manière importante.
Avec des faisceaux de fibres creuses qui remplissent sensiblement les dimensions intérieures transversales de l'enveloppe quand ils sont à l'état relâché, la valeur du compactage longi-5 tudinal exigée pour fournir des efficacités souhaitables de séparation peut être nettement inférieure à celles avec des faisceaux qui ont des dimensions transversales plus petites que les dimensions internes transversales de l'enveloppe et ne remplissent pas l'enveloppe quand ils sont à l'état relâché. Egalement, . 10 dans certains cas, des canaux longitudinaux peuvent exister après le compactage longitudinal, mais, de préférence, sensiblement tous ces canaux sont plus courts que la dimension longitudinale du faisceau. Ces canaux sont formés par le placement relatif des fibres creuses et sont terminés par des fibres creuses en con-15 tact les unes avec les autres pour fermer le canal. La région dans laquelle le canal est fermé, par suite de la résistance à l'écoulement de fluide qu'elle fournit, favorise l'écoulement transversal hors du canal longitudinal et autour des fibres creuses environnantes.
20 Les moyens pour compacter longitudinalement le faisceau de fibres creuses de préférence ne tordent pas de manière importante le faisceau. Les fibres individuelles, ordinairement, sont courbées, c'est-à-dire ont des ondes à périodes généralement grandes (par exemple souvent environ 10 cm ou plus), par suite du 25 compactage longitudinal. Les ondes peuvent s'étendre vers l'extérieur à partir de l'axe longitudinal de la fibre creuse, dans n'importe quelle direction, afin de stabiliser le faisceau de fibres creuses et de réduire la présence de canaux longitudinaux. Les moyens employés pour le compactage longitudinal sont souvent 30 choisis en se basant sur la conception particulière du dispositif de traversée. Par exemple, si le dispositif de traversée est un dispositif à double extrémité ouverte, c’est-à-dire chaque extrémité de l'enveloppe a une feuille de tubes, le moyen pour le compactage longitudinal peut simplement comprendre une faible lon-35 gueur d'enveloppe, qui impose que le faisceau soit compacté pour le montage. Des dispositifs de perméation ou de traversée à extrémité ouverte unique, c'est-à-dire seule une extrémité de l'enve-38 loppe a un tube de feuilles, les fibres creuses dans le faisceau étant en forme de "U" avec les deux extrémités des fibres creuses 10.
encastrées dans le tube de feuilles,ou bien une extrémité des fibres creuses étant encastrée dans le tube de feuilles et l'autre extrémité des fibres creuses étant bouchée de manière imperméable au fluide, par exemple en étant encastrée, ou enveloppée, dans une 5 matière solide sont plus facilement adaptés à d'autres moyens pour effectuer le compactage longitudinal. Des moyens typiques pour le compactage longitudinal de dispositifs de traversée à extrémité ouverte unique comprennent l'utilisation d'une faible longueur d'enveloppe; un dispositif d'espacement tel qu'un dispositif d'espace--10 ment sensiblement non élastique, par exemple un obturateur, entre l'extrémité du faisceau et l'extrémité fermée de l'enveloppe, ou un dispositif d'espacement élastique, par exemple un ressort, entre l'extrémité du faisceau et l'extrémité fermée de l'enveloppe; et, quand le dispositif de traversée est orienté en position générale-15 ment verticale, la feuille de tubes étant en bas, la force de la pesanteur sur les fibres creuses, ou sur les fibres creuses et sur un poids supplémentaire à l'extrémité du faisceau, sert à compacter longitudinalement le faisceau. Dans le montage d'un dispositif de traversée de la présente invention, on préféré souvent faire vi-20 brer l'enveloppe et le faisceau, particulièrement alors que le dispositif de traversée est essentiellement vertical, le tube d'enveloppes étant en bas, indépendamment des moyens de compactage longitudinaux employés, pour aider à distribuer les fibres creuses suivant une configuration plus stable. Dans de nombreux cas, on sou-25 haite qu'une force de compactage longitudinale soit maintenue sur le faisceau par les moyens pour compacter longitudinalement le faisceau. Ainsi, les fibres creuses dans le faisceau sont maintenues dans une configuration relativement stable par rapport aux effets de l'écoulement de fluide dans le dispositif de traversée et par - 30 rapport à la pesanteur, pendant des périodes substantielles de fonc tionnement du dispositif de traversée. Spécialement, lorsqu'un dispositif d'espacement sensiblement non élastique est employé, les moyens pour compacter longitudinalement le faisceau doivent être capables d'être déplacés, c'est-à-dire réglés longitudinalement 35 de manière telle qu'une valeur désirée de compactage longitudinal et, de ce fait, d'efficacité de séparation, puisse être facilement obtenue. Bien sûr, avec des moyens tels que des ressorts et 38 la force de la pesanteur (quand le dispositif de traversée est généralement orienté verticalement), les moyens peuvent être à auto- \ 11.
Ψ* \ \ réglage pour obtenir la valeur désirée de compactage longitudinal.
La présente invention sera maintenant décrite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe transversale, longitudi-5 nale, schématique, d'un dispositif de traversée à fibres creuses, à alimentation axiale, montée horizontalement, employant un obturateur non élastique comme moyen pour compacter longitudinalement le faisceau de fibres creuses selon la présente invention;
La figure 2 est une représentation schématique, en coupe 10 transversale, longitudinale, de la partie d'extrémité d'un dispositif de traversée à fibres creuses, à alimentation axiale, monté horizontalement, employant un ressort comme moyen pour compacter longitudinalement le faisceau de fibres creuses selon la présente invention; 15 La figure 3 est une représentation schématique, en coupe transversale, longitudinale, d'un dispositif de traversée à fibres creuses, à alimentation axiale, monté verticalement, utilisant un poids à l'extrémité du faisceau de fibres creuses comme moyen pour compacter longitudinalement le faisceau, selon"la présente inven-20 tion; et
La figure 4 est une représentation schématique, en coupe transversale, longitudinale, d'un dispositif de traversée à fibres creuses, à alimentation axiale, monté horizontalement, à double extrémité ouverte, ayant une enveloppe courte pour fournir un compac-25 tage longitudinal du faisceau de fibres selon la présente invention.
Sur les figures 1, 2 et 3, des références semblables indiquent des caractéristiques semblables.
En se référant à la figure 1, le dispositif de traversée ou de perméation est généralement désigné par 10 et comprend une 30 enveloppe 12. L'enveloppe 12 peut être formée de n'importe quelle matière convenable, imperméable aux fluides. Pour plus de commodité, des métaux tels que l'acier sont employés par suite de leur facilité de fabrication, de leur longévité et de leur résistance. L'enveloppe peut être suivant n'importe quelle configuration convena-. 35 ble en coupe transversale; cependant, des coupes transversales circulaires sont préférées. Tel qu'indiqué, l'enveloppe 12 a une extrémité fermée et une extrémité ouverte, la calotte 14 d'extrémi-33 té ouverte étant montée par des flasques sur l'enveloppe 12 à l'extrémité ouverte.
12.
Le faisceau 16 composé de plusieurs fibres creuses est placé dans l'enveloppe 12. Souvent,le faisceau comprend plus de 10.000 fibres creuses et, avec des fibres creuses à diamètre plus petit et des enveloppes à diamètre plus grand, elles peuvent 5 être en quantité de plus de 100.000 ou même être en nombre égal à 1.000.000 de fibres. Avantageusement, le faisceau a essentiellement la même configuration en coupe transversale que celle de l'enveloppe. Une extrémité de chacune des fibres creuses dans le faisceau 16 est encastrée dans la feuille de tubes 18. Les trous • lo des fibres creuses communiquent à travers la feuille de tubes 18 jusqu'à l'extrémité ouverte de l'enveloppe 12. La feuille 18 est montée suivant une relation étanche au fluide avec l'enveloppe 12 en étant placée entre l'enveloppe 12 et la calotte 14 d'extrémité ouverte. Des joints toriques et des dispositifs semblables peuvent 15 être employés pour assurer l'obtention de la relation désirée d'étanchéité aux fluides. Lafeuille de tubes peut être conformée de n'importe quelle manière convenable, par exemple en coulant une matière de moulage autour de l'extrémité du faisceau, tel que décrit dans les brevets américains n° 3.339.341 et n°’3.442.389, ou en 20 imprégnant les extrémités des fibres avec une matière de moulage tout en montant les fibres creuses pour former le faisceau, tel que décrit dans les brevets américains n° 3.455.460 et n° 3.690.465.Des matières de moulage convenables comprennent des compositions polymères liquides durcissables (telles que des produits 25 époxy, des uréthanes, etc.), des soudures, des ciments, des cires et analogues. L'autre extrémité de chacune des fibres creuses est encastrée dans un joint d'obturation 20. Le joint 20 est semblable à la feuille de tubes 18, sauf que les trous des fibres creuses né communiquent pas à travers le joint d’obturation. Le joint 30 20 est illustré comme pouvant se déplacer librement dans une direc tion longitudinale à l’intérieur de l'enveloppe 12. Un obturateur non élastique 22 est placé à l'intérieur de l'enveloppe 12 entre le joint 20 et l'extrémité fermée de l'enveloppe 12. L'obturateur non élastique 22 a suffisamment de hauteur pour effectuer le com-. 35 pactage désiré du faisceau 16.
En cours de fonctionnement, un mélange de fluide d'alimentation est introduit dans le dispositif de traversée 10 par l'in-38 termëdiaire d'un des orifices 24 et 26,communiquant à travers l'enveloppe. Alors qu'un seul orifice 24 est représenté, on doit com- 13.
prendre que plusieurs orifices 24 peuvent être placés autour de la périphérie de l'enveloppe 12. Le mélange de fluides, épuisé en au moins une partie d'au moins un fluide, qui traverse la membrane est retiré par l'intermédiaire de l'autre des orifices. Très sou-5 vent, le mélange de fluides d'alimentation est introduit dans l'orifice 24 qui est adjacent à la feuille de tubes 18. L'écoulement du mélange de fluides dans le dispositif de traversée 10 est de manière prédominante axial, le mélange de fluides se dispersant ra-dialement dans le faisceau 16. Au moins un fluide traversant pas- 10 se â travers les parois et pénètre dans les trous des fibres creu ses, en utilisant une force d'entraînement convenable pour effectuer la traversée. Le produit ayant traversé, contenant au moins un fluide traversant, passe alors à travers la feuille de tubes 18 par l'intermédiaire des trous des fibres creuses et sort du dispositif 15 de traversée 10 par l’intermédiaire de l'orifice 28 dans la calot te 14 d'extrémité ouverte.
En se référant à la figure 2 ,1e ressort 30 ,qui est sous compression, est utilisé pour fournir le compactage longitudinal désiré du faisceau 16. Contrairement à l'exemple de réalisation 20 de l'invention présenté sur la figure 1, où un obturateur non élastique est employé pour effectuer le compactage longitudinal et la hauteur de l'obturateur non élastique détermine la valeur du compactage longitudinal, la valeur du compactage longitudinal dépend principalement de la force exercée par le ressort. Ainsi, 25 des ressorts plus puissants peuvent généralement fournir de plus grandes valeurs de compactage longitudinale dans un dispositif donné de traversée. L'orientation de ce dispositif peut avoir une influence sur le choix de la force du ressort désiré. Par exemple, si l'axe longitudinal du faisceau de fibres creuses est essentielle-’ · 30 ment horizontal, une faible valeur (ou une valeur nulle) du poids du fa: ceau de fibres creuses sera supportée par le ressort. D'autre part, si l'axe longitudinal du faisceau de fibres creuses est vertical, le joint étant en haut, une partie substantielle du poids des fibres creuses et de l'obturateur sera porté par le ressort.
. 35 Convenablement, un ressort convenable peut être choisi en plaçant le dispositif de traversée dans son orientation espérée durant l'uti lisation, et en déterminant la force exigée pour fournir le compac-38 tage longitudinal désiré du faisceau de fibres creuses. Bien que le 14.
ressort 30 soit représenté comme étant un ressort en spirale, il est clair que d'autres ressorts, tels que des ressorts à ruban incurvés et analogues, peuvent être employés à titre de variante.
Le ressort peut être orienté de manière telle qu'il soit compri-5 me ou expansé pour fournir les forces élastiques qui effectuent le compactage longitudinal du faisceau de fibres creuses.
La figure 3 illustre un dispositif de traversée particulièrement convenable selon la présente invention, où le compactage longitudinal est fourni par la force de la pesanteur. Comme 10 représenté, le joint d'obturateur 20 a un poids suffisant pour permettre l'obtention du compactage longitudinal désiré du faisceau 16 de fibres creuses. En général, plus les fibres creuses sont élastiques, vis-à-vis de la force de compactage longitudinal plus grandes sont les forces exercées par le fluide traversant le 15 dispositif de traversée et plus grand doit être le poids du joint 20 pour obtenir une valeur désirée de compactage longitudinal.
Un procédé convenable pour déterminer un poids convenable pour le joint d'obturateur 20 pour un dispositif de perméation ou de traversée donné consiste à fabriquer un dispositif de traversée avec 20 un joint d'obturation d'un poids connu. Ensuite, quand le dispositif de traversée est dans l'orientation prévue pour le fonctionnement (et de préférence le dispositif de traversée est en fonctionnement spécialement quand le fluide est liquide), la force exigée pour fournir la valeur désirée de compactage longitudinal est 25 déterminée et un poids peut être ajouté ou retiré du joint d'obturation, ou le poids des joints d'obturation ultérieurs réglé de manière appropriée, pour fournir le pourcentage désiré de compactage longitudinal.
Le poids pour compacter longitudinalement le faisceau 30 de fibres creuses comprend des moyens autres que le joint 20. Par exemple, des poids en forme de disque ou d'anneau peuvent être prévus dans l'espace entre le joint 20 et l'extrémité fermée de l'enveloppe 12 de manière telle que, lorsque le faisceau de fibres creuses est dans une orientation généralement verticale, les poids 35 reposent sur le joint 20 pour fournir la force désirée pour le compactage longitudinal du faisceau de fibres creuses. A titre de variante, le faisceau de fibres creuses peut être en "U", le 38 segment incurvé du "U" étant proche de l'extrémité fermée de l'enveloppe 12 et un poids en forme de disque étant placé sur ce 15.
segment incurvé. Souvent, le poids pour le compactage longitudinal du faisceau de fibres creuses est d'environ là 50 (ou plus) grammes par centimètre carré de surface transversale du faisceau.
Le dispositif de traversée 100 à doubla extrémité ouverte 5 est représenté sur la figure 4. Le dispositif 100 comprend une enveloppe 102 qui est ouverte aux deux extrémités. Des calottes d'extrémité 104 et 106 sont montées par des flasques sur l'enveloppe 102 aux extrémités ouvertes. Le faisceau 108 contenant plusieurs fibres creuses est placé dans l'enveloppe 102 et est termi-, 10 né aux extrémités par la feuille de tubes 110 et la feuille de tubes 112. Les trous des fibres creuses communiquent par l'intermédiaire des feuilles de tubes. Ces feuilles sont maintenues dans une relation étanche au fluide avec l'enveloppe 102 en étant placées entre la calotte d'extrémité respective et l'extrémité de l'enve-15 loppe 102. Dans la fabrication du dispositif de traversée à double extrémité qui est illustrée, une ou deux des feuilles de tubes 110 et 112 sont formées après que les fibres creuses ont été insérées dans l'enveloppe 102. L'enveloppe 102 est pourvue du flasque 114 qui, durant la fabrication du dernier joint, est ouverte, des dis-20 positifs d'espacement étant placés entre chaque face du flasque pour augmenter la longueur de l'enveloppe. Les dispositifs d'espacement correspondent à la valeur désirée de compactage longitudinal de manière telle que, lorsque les dispositifs d'espacement sont retirés et que le flasque est remonté, le faisceau soit longitudi-25 nalement compacté. A titre de variante, le faisceau avec les feuilles de tubes peut être fabriqué avant l'insertion dans l'enveloppe 102.
- Dans des fonctionnements à titre d'illustration, un fluide qui peut être le mélange de fluide d'alimentation, ou un fluide 30 de balayage pénètre à l'intérieur de l'enveloppe 102 (c'est-à-dire le côté enveloppe du dispositif de traversée) par l'intermédiaire de l’orifice 116 et le fluide sort par l’intermédiaire de l'orifice 118 distant longitudinalement. Plusieurs orifices 116 et 118 distribués autour de la périphérie de l'enveloppe 102 peuvent être 35 employés. Si on fait passer un fluide de balayage à travers l'enveloppe 116, le mélange de fluides d'alimentation est envoyé à travers l'orifice 120 dans la calotte d'extrémité 104 ou à travers 38 l'orifice 122 dans la calotte d'extrémité 106, selon que l'on désire dans le dispositif de traversée des écoulements à contre-courant ou à courants dans le même sens, l'orifice dans la calotte 16.
d'extrémité opposée servant à fournir la sortie du fluide. Ainsi, le mélange de fluide d'alimentation est envoyé à travers les trous des fibres creuses. Le fluide traversant passe à travers les parois des fibres creuses et sort avec le fluide de balayage. Si le mélan-5 ge de fluides d'alimentation est envoyé à travers l'orifice 116, le fluide traversant passe à travers les parois des fibres creuses vers les trous et le mélange de fluides d'alimentation, épuisé en au moins une partie du fluide traversant, sort de l'intérieur de l'enveloppe 102 par l'intermédiaire de l'orifice 118. Le fluide . io traversant dans les trous des fibres creuses peut sortir à travers chacun des orifices 120 et 122, ou bien on peut faire passer un fluide de balayage à travers les trous des fibres creuses, pénétrant par l'orifice 120 ou 122 et sortant par l'autre orifice, selon que l'on désire dans le dispositif de traversée des écoulements à 15 contre-courant ou à courants dans le même sens.
La demanderesse a trouvé que des dispersions de fluide augmentées à travers le faisceau de fibres creuses des dispositifs de traversée à alimentation axiale sont obtenues avec des vitesses spatiales plus élevées. En conséquence, des diamètres de faisceaux 20 plus petits sont souvent préférés, par exemple environ 0,02 ou 0,05 à 0,5 mètre de diamètre. La longueur effective des fibres creuses dans le faisceau peut aussi varier largement, par exemple d'environ 0,2 à 15 ou 20 mètres, par exemple environ 1 à 10 mètres. Généralement, avec des faisceaux ayant des diamètres plus grands, 25 des dispersions souhaitables peuvent être obtenues par l'utilisation de longueurs de faisceau plus importantes. Le facteur de tassement des fibres creuses dans le dispositif de traversée, basé sur les dimensions internes transversales de l'enveloppe du dispositif de traversée par rapport à la longueur de la fibre creuse ayant 30 une surface spécifique disponible pour effectuer des séparations et la surface transversale des fibres creuses (ci-après désignée quelquefois sous le nom de facteur de tassement de référence), est de préférence au moins environ 35, par exemple environ 40 ou 45 à 65, souvent environ 45 à 55 ou 60,%.
35 Les fibres creuses peuvent être fabriquées à partir de n'importe quelle matière naturelle ou synthétique convenable pour des séparations de fluides ou comme supports pour des matières qui 38 effectuent les séparations de fluides. Le choix de la matière pour 17.
la fibre creuse peut être basé sur la résistance à la chaleur, la résistance aux produits chimiques, et/ou la résistance mécanique de la fibre creuse, ainsi que d'autres facteurs imposés par la séparation de fluides prévue où elle sera utilisée et les con-5 ditions opératoires auxquelles elle sera soumise.
Les diamètres de fibres creuses peuvent être choisis dans une large gamme; cependant, la fibre creuse doit avoir une épaisseur de paroi suffisante pour fournir une résistance adéquate à la fibre creuse. Fréquemment, le diamètre extérieur des fibres 10 creuses est au moins environ 50 microns, par exemple au moins environ 100 microns, et des fibres à même diamètre extérieur ou à diamètres extérieurs différents peuvent être contenues dans un faisceau. Souvent, les diamètres extérieurs vont jusqu'à environ 800 ou 1.000 microns. Bien que des fibres creuses à diamètre ex-15 têrieur plus grand puissent être employées, elles sont moins préférées par suite des faibles rapports de la surface spécifique des fibres creuses par unité de volume du dispositif de séparation de fluides, qui sont prévus. De préférence, le diamètre extérieur des fibres creuses est environ 150 ou 350 à 800 microns.
20 Souvent, des fibres creuses à plus grand diamètre (par exemple au moins environ 350 microns de diamètre) sont souhaitées par suite de la dispersion transversale renforcée,résultant fréquemment, du fluide parmi les fibres creuses avec l'écoulement de fluide axial dans le faisceau. Généralement l'épaisseur de paroi des 25 fibres creuses est au moins environ 5 microns, et dans certaines fibres creuses, l'épaisseur de paroi peut aller jusqu'à environ 200 ou 300 microns, par exemple environ 50 à 200 microns. Avec des fibres creuses fabriquées à partir de matières ayant de moindres résistances, il peut être nécessaire d'employer des diamètres de 30 fibres plus grands et des épaisseurs de parois plus grandes pour conférer à la fibre creuse une résistance suffisante.
Pour fournir des flux souhaitables à travers -les fibres creuses, particulièrement en utilisant des fibres creuses ayant des parois d'au moins environ 50 microns d'épaisseur, les fibres 35 creuses peuvent avoir un volume de vides substantiel . Les vides sont des régions dans les parois des fibres creuses qui sont dépourvues de la matière des fibres creuses. Ainsi, quand des 38 vides sont présents, la densité de la fibre creuse est inférieure à celle de la matière en vrac constituant la fibre creuse.
18.
Souvent, quand des vides sont souhaités, le volume de vides des fibres creuses va jusqu'à environ 90, par exemple environ 10 à 80, et quelquefois environ 20 ou 30 à 70,%, en se basant sur le volume superficiel, c'est-à-dire le volume contenu dans les dimen-5 sions globales des parois des fibres creuses. La densité de la fibre creuse peut être essentiellement la même dans toute son épaisseur de paroi, c'est-à-dire qu'elle peut être isotrope, ou la fibre creuse peut être caractérisée par le fait qu'elle a au moins une région relativement dense dans son épaisseur de paroi, en rela-' lo tion de barrière à l'écoulement de fluide à travers la paroi de la fibre creuse, c'est-à-dire que la fibre creuse est anisotrope. Généralement, une région relativement dense des fibres creuses anisotropes est sensiblement à l'extérieur de la fibre creuse.
Des fibres creuses particulièrement avantageuses pour 15 l'utilisation dans des dispositifs de traversée à alimentation axiale, selon la présente invention sont des fibres creuses ayant des ondes, ou frisures (ondulations) à faible amplitude, telles que décrites dans la demande de brevet américain n° 855.850 indiquée précédemment. L'amplitude des ondulations, est indiquée ici comme 20 étant la moitié de la distance latérale entre le point médian de la fibre creuse à un sommet jusqu'au point médian de la fibre creuse, au sommet suivant adjacent, diamétralement opposé. Lorsqu'aucun sommet adjacent diamétralement opposé n'existe, l'amplitude est la distance latérale entre le point médian de la fibre creuse au 25 sommet jusqu'au point médian de la fibre creuse qui n'est pas ondulée. Avantageusement, l'amplitude des ondulations est au moins environ 50 % du diamètre de la fibre creuse, et, généralement, les amplitudes des ondulations sont dans la gamme d'environ 1 à 30 % du diamètre de la fibre creuse. Des amplitudes d'ondulation des 30 fibres supérieures à environ 50 % du diamètre peuvent être aussi employées; cependant, généralement, après que le faisceau de fibres a été monté, ce faisceau doit être comprimé pour obtenir un facteur de tassement élevé de manière souhaitable. Une certaine compression du faisceau sert à maintenir les fibres creuses dans • 35 une relation sensiblement fixée les unes par rapport aux autres. Chacune des ondulations dans une fibre creuse ou parmi les fibres creuses employées pour former le faisceau peut avoir la même 38 amplitude ou une amplitude différente des autres ondulations, et 19.
les amplitudes des ondulations peuvent varier dans une gamme pour aider à briser toute partie coïncidante entre les fibres creuses.
En outre, le faisceau peut contenir des fibres creuses n'ayant sensiblement pas d'ondulations, ces fibres étant dispersées parmi 5 des fibres creuses ayant des ondulations. Les ondulations n'ont pas besoin d'être continues sur toute la longueur d'une fibre creuse. Ainsi, les ondulations peuvent être espacées par intermittence sur la longueur de la fibre creuse, et la fréquence des ondulations peut être irrégulière. De plus, comme indiqué ci-dessus, ; 10 des fibres à distribution de fréquence d'ondulations peuvent être employées. Généralement, au moins environ 50 %, de préférence au moins environ 75 %, des fibres dans un faisceau sont ondulés. Les fibres creuses qui sont ondulées ont fréquemment une moyenne d'au moins une ondulation pour 5 centimètres de longueur de fibre.
15 La fréquence moyenne des ondulations sur toute la longueur d'une fibre creuse est souvent environ 0,2 à 10 ou plus, par centimètre, par exemple environ 0,25 à 5 par centimètre. Si la fréquence des ondulations dans la fibre creuse est irrégulière, les ondulations ont une fréquence allant généralement d'environ 1 à environ 50 20 ondulations pour 5 centimètres, par exemple environ 1 à environ 30 ondulations pour 5 centimètres de longueur de fibre creuse.
La période des ondulations, c'est-à-dire la longueur de chaque ondulation, est, de manière souhaitable, suffisamment courte pour que l'ondulation conserve sa configuration, et des changements subs-25 tantiels d'amplitude de l'ondulation ne se produisent pas quand les fibres creuses sont assemblées dans un faisceau. Par exemple, si la période de l'ondulation est trop longue et monte peu à peu jusqu'à son sommet, des forces mécaniques même peu importantes peuvent alors tendre à redresser la fibre creuse. Pour obtenir les avantages 30 fournis par la présente invention, la période de l'ondulation peut être relativement courte, par exemple moins d'environ 5 centimètres. L'aspect court des ondulations est généralement limité par les dimensions de la fibre creuse, c'est-à-dire qu'avec des fibres creuses à plus petit diamètre, généralement des périodes d'ondulation 35 plus petites peuvent être obtenues. Fréquemment, la période d'ondulation moyenne est environ 0,05 à 5, par exemple environ 0,1 à 2 centimètres. Le rapport entre la période d'ondulation moyenne et 30 la fréquence moyenne des ondulations peut varier largement, par exemple, d'environ 0,05 : là 1 : 1, souvent environ 0,1 : là ! 20.
1:1. Dans le montage ou l'assemblage de faisceaux contenant cette fibre creuse ondulée, on souhaite que les ondulations dans les fibres creuses ne soient pas en coïncidence. Avantageusement, au moins certaines des fibres creuses varient par au moins un 5 des facteurs constitués par les fréquences d'ondulation, la période d'ondulation et les amplitudes d'ondulation de manière telle qu'avec un montage au hasard des fibres creuses, la probabilité d'ob tenir une valeur excessive de fibres en coïncidence soit minima.
La matière pour former les fibres creuses peut être ‘10 minérale, organique ou mixte, minérale et organique. Des matières minérales typiques comprennent des verres, des céramiques, des métaux céramiques, des métaux et analogues. Les matières organiques sont ordinairement des polymères. Dans le cas de polymères, des polymères d'addition et de condensation, qui peuvent être fabri-15 quës de n'importe quelle manière convenable pour fournir des fibres creuses, sont inclus. Généralement, des polymères organiques et quelquefois des polymères organiques mélangés avec des produits minéraux (par exemple des produits de charge) sont utilisés pour préparer les fibres creuses. Des polymères typiques peuvent 20 être des polymères substitués ou non substitués et ils peuvent être choisis parmi des polysulfones, des poly(styrènes), comprenant des copolymères contenant du styrène, tels que des copolymères acrylo-nitrile-styrène, des copolymères styrène-butadiëne, et des copolymères styrène-halogénure de vinylbensène, des polycarbonates, des 25 polymères cellulosiques tels que de l'acétate de cellulose, 1'acétobutyrate de cellulose, le propionate de cellulose, l'éthyl-cellulose, la méthylcellulose, la nitrocellulose, etc., des polyamides et des polyimides, comprenant des arylpolyamides et des arylpolyimides, des polyëthers, des poly(oxydes d'arylène) tels 30 que le poly(oxyde de phênylène) et le poly(oxyde de xylylène), un poly(diisocyanate d'esteramide), des polyuréthanes, des polyesters (comprenant des polyarylates), tels que le poly(tëréphtala-te d'éthylène) , des poly (méthacrylates d'alkyle) , des poly(acryla-tes d'alkyle), le poly(téréphtalate de phênylène), etc., des • 35 polysulfures, des polymères provenant de monomères ayant une insa turation α-oléfinique autre que celle mentionnée ci-dessus, tels que le poly(éthylène), le poly(propylène), le poly(butène-1), le 38 poly(4-méthylpentène-l), des produits polyvinyligues, par exemple 21.
= le poly(chlorure de vinyle), le poly(fluorure de vinyle), le poly(chlorure de vinylidène), le poly(fluorure de vinylidène), le poly(alcool vinylique), les poly(esters vinyliques) tels que le poly(acétate de vinyle) et le poly(propionate de vinyle), les 5 poly(vinylpyridines), les poly(vinylpyrrolidones), les poly(éthers vinyliques), les poly(vinylcêtones), les poly(vinylaldéhydes) , tels que le poly (vinylformal) et le poly (vinylbutyral) , les polyivinyla-mines), les poly(phosphates de vinyle), et les poly(sulfates de vinyle), les produits polyallyliques, le poly(benzobenzimidazole) , . 10 les polyhydrazides, les polyoxadiazoles, les polytriazoles, le poly (benzimidazole), les polycarbodiimides, les polyphosphâzines, les polyacétals, etc. et des interpolymères, comprenant des terpoly-mères séquencés contenant des motifs provenant de ceux indiqués ci-dessus, tels que les terpolymères d'acrylonitrile-bromure de 15 vinyle-sel de sodium d’éther para-suifophénylméthallylique} et des produits de greffage et des mélanges contenant l'un quelconque des produits précédents. Des substituants typiques fournissant des polymères substitués comprennent des halogènes, tels que le fluor, le chlore et le brome, des groupes hydroxyles, des groupes alkyles 20 inférieurs,des groupes alcoxy inférieurs, un groupe aryle-monocy clique, des groupes acyles inférieurs et analogues.
Les exemples précédents sont fournis à titre d’illustration de la présente invention. Toutes les parties et tous les pourcentages des liquides et des solides sont en poids, et toutes 25 les parties et tous les pourcentages de gaz sont en volume, sauf indication contraire.
EXEMPLE 1
Une fibre creuse est préparée à partir d'un polymère de polysulfone séché, ayant le motif
30 Γ CH3 0 “I
—©"j-®-0-®-}-®-'’— _ CH3 0 J n où n, représentant le degré de polymérisation , est environ 50 à 80 et est disponible à la société dite Union Carbide sous la dé-3g signation P-3500. La polysulfone est mélangée avec de la dimêthyl- . 35 22.
acétamide pour fournir une solution visqueuse de filage contenant environ 27,5 % en poids de polymère, et la solution visqueuse est filée, avec coagulation, dans l'eau ä une température d'environ 4°C à travers une filière qui est immergée dans l'eau.
5 La filière a un diamètre d'orifice extérieur de 0,0559 centimètre, une tige intérieure de 0,0229 centimètre, et un orifice d'injection de 0,0127 centimètre à travers lequel l'eau est introduite. La solution visqueuse est pompée et introduite, en étant mesurée, dans la filière à un taux d'environ 7,2 millilitres par minute et 10 est étirée à partir de la filière sous forme d'une fibre creuse à un taux d'environ 33 mètres par minute. Après que la coagulation s'est sensiblement produite, la fibre creuse est lavée avec de l'eau à la température ambiante. La fibre creuse est enroulée sensiblement sans tension sur une bobine d'environ 30 centimètres 15 (approximativement 25,4 centimètres entre les têtes intérieures) avec· un dispositif d'enroulement de bobines, c'est-à-dire que la fibre creuse est envoyée à travers un guide traversant axialement (qui s'inverse à chaque extrémité de la bobine) et est rassemblée à la surface d'une bobine rotative, si bien que la fibre creu-20 se est enroulée sur la bobine suivant des couches séquentielles d'ondulations hélicoïdales. La bobine est emmagasinée dans une cuve renfermant de l'eau, à la température ambiante, et, durant ce temps, les fibres sur le faisceau se contractent pour conférer des ondulations. Les fibres creuses sont alors enroulées sur un ëcheveai 25 ayant une circonférence d'environ 6 mètres. Les fibres creuses sont retirées sous forme d ' écheveaux de 3 mètres de longueur et sont suspendues et mises à sécher à la température et sous l'humidité ambiantes du laboratoire. Les fibres creuses ont un diamètre extérieur d'environ 540 microns et un diamètre intérieur d'environ 30 260 microns, et elles ont des ondulations irrégulières de faible amplitude dues à la contraction de la fibre creuse lorsqu'elle est enroulée sur les bobines.
EXEMPLE 2
Des fibres creuses préparées par le mode opératoire * 35 sensiblement comme présenté dans l'exemple 1 sont assemblées suivant un faisceau de fibres creuses de la manière suivante. Un écheveau de fibres creuses séchées, contenant environ 20.000 torons 38 et ayant un diamètre d'environ 10 centimètres (quand elles sont liées de manière serrée avec une bande) et légèrement supérieur à 23.
3 mètres de longueur, est coupé aux deux extrémités pour fournir un écheveau à longueur légèrement inférieure à 3 mètres. Une bande de matière plastique est enroulée autour de chaque extrémité de l'écheveau pour maintenir l'extrémité suivant une configuration 5 circulaire tendue. Une feuille de tubes en produit époxy est fabriquée à une extrémité de l'écheveau en fermant de manière étanche l'ouverture aux fibres creuses et puis en immergeant l'extrémité ouverte de l'écheveau dans une résine époxy liquide et en laissant le produit époxydë cuire. Après cuisson, le produit êpoxydé est cou-- 10 pé transversalement par rapport à l'orientation des fibres creuses pour ouvrir les trous de ces fibres creuses. Un plan électrique est utilisé pour assurer que les fibres creuses ont un degré élevé d'ouverture pour la communication par fluide dans les trous des fibres creuses, comme décrit par Danos et collaborateurs dans la 15 demande de brevet américain n° 855.845 déposée le 30 novembre 1977 sous le titre : "Procédé " .
La feuille de tubes résultante en produit époxy a un diamètre d'environ 15 centimètres et une longueur d'environ 10 centimètres. L'extrémité restante de l'écheveau est immergée dans le produit 20 époxy liquide et le produit époxy cuit pour former un joint d'obturation. Le joint a un diamètre d'environ 9,5 centimètres et une longueur d'environ 2,5 centimètres. Ce mode opératoire est sensiblement répété six fois pour préparer des faisceaux de fibres creuses A, B, C, D, E et P. Chacun des faisceaux est monté dans une enve-25 loppe de dispositif de traversée à alimentation axiale telle que schématiquement représentée sur la figure 1. Le dispositif de traversée a un diamètre interne d'environ 10,16 centimètres. Une solution du produit dit Sylgard 184, à 5 % dans 1'isopentane, est envoyée à travers le côté alimentation de chaque dispositif de 30 traversée. Le produit dit Sylgard 184 est un polymère de dimëthyl-siloxane rêticulable, qui est disponible à la société dite Dow Corning et cuit aux températures ambiantes. Les trous des fibres creu ses sont en communication avec un vide d'environ 600 à 700 millimètres de mercure. La circulation de la solution du produit dit Syl-35 gard continue pendant environ 30 minutes, et le vide est appliqué pendant encore environ 15 minutes après que la solution de produit dit Sylgard 184 a été retirée du côté enveloppe du dispositif de 38 traversée. Le faisceau revêtu est cuit à environ 40 à 50°C pendant environ 24 heures en faisant passer de l'azote à travers le côté 24.
enveloppe de ce dispositif.
Le facteur de tassement de référence pour chaque dispositif de traversée est déterminé en multipliant la surface transversale d'une fibre creuse représentative dans le faisceau par 5 le nombre estimé de torons de fibres dans le faisceau et puis en divisant le produit par la surface transversale interne de l'enveloppe du dispositif de traversée où le quotient est multiplié par 100 pour fournir le facteur de tassement en pourcent. Le facteur de tassement de référence pour chaque faisceau est le suivant ï 10 Faisceau Facteur de tassement, % A 49,6 B 55,9 C 48,0 D 50,0 15 E 51,3 F 50,1
Chacun des dispositifs de traversée est testé pour déterminer les efficacités de l'hydrogène et les efficacités de séparation quand le faisceau est compacté longitudinalement 2o selon la présente invention. Des tests comparatifs sont conduits avec des faisceaux A, B et C pour démontrer encore l'importance de la présente invention. Les dispositifs de traversée, selon la présente invention, emploient, comme moyen pour compacter longitudinalement le faisceau, soit un obturateur non élastique qui est 25 placé entre le joint d'obturation et l'extrémité de l'enveloppe (dispositif de traversée orienté horizontalement), soit la force de la pesanteur, le dispositif de traversée étant orienté verticalement avec la feuille de tubes en bas. Dans la fabrication, de dispositifs de traversée, utilisant des moyens pour le compactage 30 longitudinal, le dispositif de traversée contenant le faisceau est orienté verticalement, avec le tube de feuilles en bas et est amené à vibrer en frappant le dispositif avec un bâton de bois lourd pour stabiliser les fibres creuses dans le faisceau jusqu'à une position plus stable. Dans les dispositifs de traversée contenant 35 l'obturateur non élastique, l'extrémité de l'enveloppe adjacente au joint d’obturation est retirée et un obturateur non élastique est préparé, ayant une hauteur qui est approximativement la même que 38 la distance entre le joint d'obturation du faisceau stabilisé et 25.
*· l'extrémité de l'enveloppe, et installé. On estime que la valeur du compactage longitudinal du faisceau dans les dispositifs de traversée selon la présente invention est environ 2,5 à 5 ou 7 centimètres. Pour chaque faisceau et chaque conception de disposi-5 tifs de traversée, qu'il soit selon la présente invention ou à titre comparatif, au moins un essai expérimental est conduit, chaque essai se composant de trois tests expérimentaux. Le premier test consiste à alimenter le côté enveloppe du dispositif de traversée avec un gaz mélangé contenant environ 74 % en volume d'hydrogène . io et 26 % en volume d'oxyde de carbone, à une vitesse particulière du côté enveloppe. Ce mode opératoire est répété deux fois, sauf que de l'hydrogène pur et de l'oxyde de carbone pur sont les gaz d'alimentation. Dans chaque test, le côté enveloppe du dispositif de traversée est maintenu à environ 8 à 10 atmosphères absolues et 15 le côté trou des fibres creuses est à une pression totale d'environ 2 à 6 atmosphères absolues. Les perméabilités des gaz ayant traversé pour chaque test sont déterminées. Un facteur de séparation est déterminé en utilisant les résultats provenant du test du gaz mélangé en divisant la perméabilité de l'hydrogène par la perméabi-20 lité de l'oxyde de carbone. Un facteur de séparation de gaz purs est aussi déterminé en divisant la perméabilité de l'hydrogène, en utilisant l'alimentation d’hydrogène pur, par la perméabilité de l'oxyde de carbone, en utilisant l'alimentation d'oxyde de carbone pur. Une efficacité d'hydrogène est déterminée en divisant la per-25 méabilité de l'hydrogène, déterminée en utilisant le mélange de gaz; par la perméabilité de l'hydrogène, déterminée en utilisant l'alimentation d'hydrogène pur. Une efficacité de séparation est aussi - déterminée en divisant le facteur de séparation, calculé à partir des perméabilités des composants du gaz mélangé, par le facteur de 30 séparation de gaz pur. Des efficacités inférieures d'hydrogène et des efficacités inférieures de séparation sont souvent une indication d'une mauvaise dispersion de fluide dans le faisceau de fibres creuses, si bien que des zones localisées à concentrations élevées du composant non désiré (oxyde de carbone) se produisent et 35 augmentent ainsi la traversée du composant non désiré et abaissent le facteur de séparation. Généralement, lorsque la vitesse de l'alimentation au dispositif de traversée est augmentée, les effi-38 cacités sont augmentées.
Le dispositif de traversée contenant le faisceau A est 26.
utilisé selon deux modes de la présente invention/ c'est-à-dire (1) orienté sensiblement verticalement, avec la feuille de tubes en bas, et le joint d'obturation en produit époxy fournissant le compactage longitudinal désiré des faisceaux de fibres 5 creuses et (2) orienté sensiblement horizontalement avec l'obturateur non élastique avec une hauteur suffisante pour fournir les compactages longitudinaux désirés, et il est utilisé selon deux modes à l'extérieur du domaine de la présente invention, c'est-à-dire (3) orienté sensiblement horizontalement, sans dispositif 10 d'espacement, pour fournir le compactage longitudinal et (4) orienté sensiblement verticalement avec le tube de feuilles en haut.
Les résultats en utilisant le faisceau A sont indiqués dans le tableau I.
TABLEAU I
15 Faisceau A
Vitesse Gaz mélangé 1 Gaz pur Effi- Effi- du côté Perméabilité, cm3 (température et pression caci- caci- enve- normales)/cm^-s-cm(Hg) x 1Q6__té té de loppe, H» CO Facteur CO Facteur d'hy- sépa- mètres de sé- de sé- dro- ra- par se- para- para- gène, tion, 20 conde___tion____tion__%__%_
Orientation verticale, feuille de tubes en bas : 0,18 35 2,2 16 50 1,9 26 70 62 0,21 40 2,1 19 47 1,8 26 85 73 0,28 47 2,3 21 47 1,8 26 100 81
Orientation horizontale, 25 obturateur non élastique : 0,24 51 2,4 21 · 61 2,8 22 84 95 0,24 54 2,4 23 61 2,8 22 89 105 0,24 58 2,5 23 60 2,7 22 96 105 0,30 48 2,6 18 61 2,8 22 78 82 0,36 55 2,7 20 61 2,8 22 90 91
Orientation horizontale, à titre comparatif: 30 o,06 8,8 7,3 1,2 54 £,4 23 16 5 0,18 11 4,7 2,3 54 2,4 23 20 10 0,19 11 4,1 2,8 46 1,7 27 25 10 0,20 11 4,6 2,4 47 1,8 27 24 9 0,25 13 3,9 3,4 47 1,8 27 27 13
Orientation verticale, à titre comparatif, . -ic feuille de tubes en haut : 0,18 43 2,6 17 50 2,2 23 86 74 0,19 32 2,8 11 52 2,2 24 61 46 0.30 43 2,6 17 52 2,2 24 83 71 38 -u- ~~ 27.
" Le dispositif de traversée contenant le faisceau B est utilisé selon deux modes de la présente invention et deux modes à l'extérieur du domaine de la présente invention comme le faisceau A.
Les résultats utilisant le faisceau B sont indiqués dans le tableau 5 II. Les essais comparatifs utilisant l'orientation horizontale du dispositif de traversée désignés par une astérisque sont conduits rapidement, de manière telle que les fibres creuses n'aient pas suffisamment de temps pour se stabiliser et former des canaux d'écoulement dans le faisceau. Les autres essais comparatifs utilisant l'orien-10 tation horizontale du dispositif de traversée sont conduits après 2 ou 3 jours de stabilisation. Comme on peut l'observer, la stabilisation des fibres creuses dans des dispositifs de traversée à orientation horizontale peut avoir des effets substantiels sur la performance de ce dispositif de traversée.
15 TABLEAU II
Faisceau B
Vitesse Gaz mélangé I Gaz pur Effi- Effi- du côté Perméabilité, cm^1 (température et pression caci- caci- enve- normales) /cm2-s-cm(Hg) x 1q6___té té de loppe, H» CO Facteur HL CO Facteur d'hy- sépa- 20 mètres de sé- de sé- dro- ra- par se- para- para- gène, tion, conde_____tion ___tion__%__%_
Orientation verticale, feuille de tubes en bas : 0,20 43 2,1 20 43 1,9 23 100 87 0,28 39 2,1 18 42 1,8 23 93 78 __ Orientation horizontale, ^ obturateur non élastique: 0,20 22 1,8 12 41 1,5 27 55 44 0,21 20 1,9 11 41 1,5 27 49 41 0,37 26 1,6 16 41 1,5 27 63 59 ' Orientation horizontale, à titre comparatif : 0,18 17 3,3 5,1 50 2,1 24 33 21 30 0,19 17 3,8 4,5 49 2,0 25 35 18 0,21x 26 2,8 9,2 53 2,3 23 48 40 0,32K 40 2,7 15 53 2,3 23 75 65 0,33 35 2,5 14 46 1,8 25 76 56
Orientation verticale, à titre comparatif, feuille de tubes en haut : 35 o,16 36 3,1 11 60 2,8 21 60 52 0,24 36 3,0 12 60 2,8 21 60 57 0,31 40 3,0 I 14 I 60 1 2,8 21 67 67
Le dispositif de traversée contenant le faisceau C est uti- 28.
lise selon un mode de la présente invention, en étant orienté sensiblement verticalement, avec le tube de feuilles en bas, et le poids du joint d'obturation en produit époxy fournissant le compactage longitudinal désiré. Des tests comparatifs sont aussi 5 conduits, le dispositif de traversée étant sensiblement orienté horizontalement sans obturateur non élastique pour fournir un compactage longitudinal. Les résultats sont indiqués dans le tableau III. Les essais comparatifs désignés par une astérisque sont conduits rapidement, afin que les fibres creuses n'aient pas • 10 suffisamment de temps pour se stabiliser et ainsi former des canaux d'écoulement dans le faisceau. Comme on peut l'observer d'après les autres essais comparatifs qui sont conduits, après que les fibres creuses aient eu l'occasion de se stabiliser, la sta-? bilisation des fibres creuses peut avoir des effets substantiels 15 sur la performance du dispositif de traversée.
TABLEAU III Faisceau C
Vitesse_Gaz mélangé 1 Gaz pur Effi- Effi- du côté Perméabilité, cm^ (température et pression caci- caci- enve- normales) /cm2-s~cm(Hg) x 106____ té té de 20 loppe, H2 CO Facteur hI CO (Facteur d'hy- sépa- mëtres de sé- de së- dro- ra- par se- para- para- gêne, tion, conde____tion___tion %__%_
Orientation verticale, feuille de tubes en bas : 25 0,20 57 2,0 28 58 2,3 25 99 112 0,24 61 2,1 29 58 2,3 26 104 112 0,29 42 2,1 21 58 2,3 .26 72 81
Orientation horizontale, - à titre comparatif : 0,14X 55 2,5 22 64 2,7 24 86 92 0,15 39 2,7 14 59 2,4 25 65 36 0,25 33 2,3 15 59 2,4 25 57 60 30 1 0,28X 61 2,7 I 23 64 2,7 24 96 96
Les dispositifs de traversée restants, c'est-à-dire les dispositifs de traversée contenant les faisceaux D, E et F sont utilisés dans une orientation sensiblement verticale, la feuille de tubes étant en bas, et le joint d'obturation en pro-35 cluit époxy fournissant le compactage longitudinal désiré du faisceau. Les résultats sont fournis dans le tableau IV.
29.
e ** Λ * %
TABLEAU IV
Vitesse1' Gaz mélangé 'T ................... Gaz pur 1 Effi- Effi- du côté Perméabilité, cm^ (température et pression caci- caci- enve- normales)/cm^-s-cm(Hq) x ip6__ tê té de 5 loppe, Η„ CÖ Facteur WZ~ CO Facteur d'hy- sépa- mètres de sé- de sé- dro- ra- par se- para- para- gêne, tion, conde____tion___tion__|___%_
Faisceau D: 0,20 42 2,7 16 51 2,2 23 83 70 0,26 44 2,4 18 51 2,2 23 86 78
Faisceau E: *10 0,19 70 2,9 24 67 ,2,7 I 25 104 96
Faisceau F: 0,23 84 3,1 27 78 2,6 I 30 108 90
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de * réalisation gui viennent d'être décrits, elle est au contraire ^5 susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à 1'homme de 1'art.
Claims (16)
1. Dispositif de traversée pour la séparation, par la perméation sélective ou traversée sélective, d 'au moins un fluide à partir d'un mélange de fluides, contenant au moins un 5 autre composant, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe allongée, imperméable aux fluides, ayant au moins une extrémité adaptée pour recevoir une feuille de tubes; plusieurs fibres creuses sélectivement perméables, ces fibres creuses ayant une surface extérieure et un trou, et les fibres creuses étant pla-10 cëes généralement parallèlement dans l'enveloppe pour former un faisceau allongé de fibres creuses; au moins une feuille de tubes, cette feuille de tubes étant en relation d'étanchéité au fluide avec l'enveloppe où au moins une extrémité de chacune des fibres creuses est encastrée suivant une relation d'étanchéité au flui-15 de dans au moins une feuille de tubes, et où les fibres creuses communiquent par l'intermédiaire de la feuille de tubes; au moins un orifice d'entrée de fluide communiquant à travers l'enveloppe et au moins un orifice de sortie de fluide, distant longitudinalement, communiquant à travers l'enveloppe, les orifices d'en-20 trée et de sortie étant en communication avec la surface extérieure des fibres creuses et adaptés pour fournir un écoulement axial de fluide dans cette enveloppe; et des moyens pour compacter longitudinalement le faisceau de fibres creuses.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en 25 ce que le facteur de tassement, basée sur les dimensions intérieures transversales de l'enveloppe et la surface transversale des fibres creuses, est au moins environ 35 %.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le facteur de tassement, basé sur les dimensions transver-30 sales intérieures de l'enveloppe et la surface transversale des fibres creuses, est environ 45 à 60 %.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen pour le compactage longitudinal du faisceau est adapté pour compacter longitudinalement le faisceau d'au 35 moins environ 0,5 %.
5. Dispositif selon la revendication 4,caractérisé en ce qu'il a une feuille de tubes. 38
6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen pour compacter longitudinalement le faisceau 31. comprend un dispositif d'espacement., place entre l'extrémité du faisceau et l'extrémité fermée de l'enveloppe.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d'espacement est un dispositif d'espace-5 ment sensiblement non élastique.
8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d'espacement est un dispositif d'espacement, élastique.
9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en » 10 ce qu'il est adapté pour être orienté en position généralement verticale, la feuille de tubes est en bas, et le moyen pour compacter longitudinalement le faisceau comprend la force de la pesanteur quand le dispositif de traversée est dans une position généralement verticale. 15
10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'extrémité du faisceau opposé à la feuille de tubes est encastrée dans un joint d'obturation.
11. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il a une feuille de tubes à chaque extrémité. 20
12 - Dispositif selon la revendication 5 ou la revendica- • tion 11, caractérisé en ce que le moyen pour compacter longitudinalement le faisceau comprend l'utilisation d'une faible longueur d'enveloppe qui exige le compactage longitudinal du faisceau.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 25 1, 5 et 11, caractérisé en ce que le moyen pour compacter longi tudinalement le faisceau est adapté pour compacter longitudinalement ce faisceau d'environ 0,7 à 10 4.
14. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres creuses ont un diamètre extérieur d'environ 30 100 à 1.000 microns.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2, 5 et 11, caractérisé en ce que les fibres creuses ont un diamètre extérieur entre environ 350 et 800 microns.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 35 1, 5 et 11, caractérisé en ce qu'au moins environ 50 % des fibres creuses ont plusieurs ondulations, ces ondulations ayant des amplitudes d'ondulation allant jusqu'à environ 50 % du diamètre exté-38 rieur de la fibre creuse, une période moyenne d'ondulation de moins d'environ 5 centimètres et un rapport entre la période d'ondulation moyenne et la fréquence d'ondulation moyenne d'environ n i . i δ i . i
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