Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
~(~Z3~71
~ a présente invention concerne un appareil de fractioDne-
ment de fluides, comportant des fibres creuses, et concerne plus
particulièrement un élément unitaire de fractionnement comportant
le~ ~ibres creuses, cet ~lément étant de préférence amovible dans
- ledit appareil.
~ es op~rations de ~ractionnement envisagées sont essentiel-
lement les opérations d'échange (dialyse, notamment rei~ artificiel,
osmose directe, échanges gaz-gaz, échanges liquides-gaz) et les opé-
rations de séparation (ultrafiltration, osmose inverse~ perméation
gazeuse) ; ces opérations peuvent bien entendu constituer des opé-
rations d'enrichissement.
Il exi~te de nombreux appareils ayant comme membranes des
~ibres creuses sur toute leur longueur. Dan~ les premiers appareils
décrits, les fibres (ou petits tubes) étaient asseæ éloignées les
unes des autres ~ C.J. Walters - Petroleum Re~iner 38 (5) 147-151
(1959) ~ ; brevet américain 2 972 349 de R.A. D~WA~ paru le 21
février 1961 et de ce iait la surface d'échange ou de séparatio~par
unit~ de volume était assez faible. ~es fibres furent alors dispo-
,
; sées en une pluralité de ~aisceaux, les ~ibres, à l'intérieur d'un
faisceau élémentaire~ se touchant pratiquement toutes aux extrémitésdudit faisceau et étant réunies auxdites extrémités pax une résine
imperméable vis à vis des fluides (cf. brevets français n 1 307 979
;~ de ~HE DOW CHE~ICA~ COMP~N~ publié le 2 novembre 1962 et n 1 2270~0
: ~ de WES~ERN E~ECTRIC CO~PANY publi~ le ~ avril 1960). ~a~s ces der-
niers appareils, lorsqu~on traite de~ l~quideæ, nota~ment en ultra~
filtration ou osmose inverse, on peut faire circuler le liquide
sous pression à l'int~rieur ou à l'extérieur des fibres ~orsqu'on
opère a~ec le liquide sous pression circulant à l~intérieur des fi-
bres, il y a des risques d'encrassement ou de colmatage du canal de
~0 chaque fibre, notamment avec les produits visqueux ou chargés. On
a alors intérêt à traYailler a~ec le liquide sous pression circulant
à l~extérieur des fibres, mais il se pose le probl~me d~avoir un
balayage correct de la majorité des ~ibres par le llquide sous pres-
sion. Il ~aut prévoir dans ce cas des dispositifs assurant une for~
- 1 -
3~'71
me de répartition de ce liquide ~ l~extérieur des ~ibres, que ce
soit pourune opération d'échange ou une opération de ~éparation
Des solutions ont été proposées notamment par la dema~ae
française 2 006 486 de USA Energy Commision publiée le 26 décembre
1969, dans laquelle les petits tu~es d'un hémodialyseur 90nt s~pa-
r~s par un treillis en matière plastique non tissée qui empaohe
leur contact et assure une meilleure répartition du liquide de dia-
lyse à l'extérieur des petits tubes.
Une autre solution a été apportée par la demande française
2 024 279 de DUPONT de NEMOURS publiée le 25 novembre 1969 dans la-
quelle o~ réalise dans un faisceau en U, composé uniquement de fibres
creuses, une circulation perpendiculaire aux fibres et radiale par
rapport à l'axe du ~aisceau considéré, gr~ce à un tube ~ perfora-
tions multiples placé à l'intérieur dudit faisceau, les perforations
éta~t espacées autour de la circon~érence du tube.
Un per~ectionneme~t à la solut~on précédente a été appo~-
té par la demande française 2 111 382 de DUPONT de NE~OURS publié
le 2 ao~t 1972, dan~ laquelle il est également décrit un appareil
avec circulation du liquide sous pression ~ l'ext~rieur d'un ~ais-
ceau, cette circulation étant également perpendi¢ulaire aux fibres
et radiale par rapport à l'axe du ~aisceau gr~ce à un tube ~ per-
iorations multiples~ ce per~ectionnement consistant ~ répartir lQs
~ibres en nappes de part et d'autre d'un support per~oré.
Un but de la présente invention e~t de ~ournir un appa-
reil de ~ractionnement de fluides amélioré et n'ayant pas les in-
convénients de l'art antérieur.
Un autre but de l'invention est de fournir un appareil de
~ractionnement ~ fibres creuses dans lequel le ~luide circule
l'extérieur des fibres selon une direction générale transversale ou
oblique par rapport ~ ces m8mes fibres~
Un autre but de l'invention est de fournir un appareil de
~ractio~nement qui, au moins dans certaines conditions, permette
d'assurer une vitesse de balayage sensibleme~t constante des ~ibres
3~71
.
- par le ~`luide circulant ~ l'extérieur de ce~q mames ~ibres
Il a maintenant été trouvé~ et c7est ce qui fait l'objet
de la présente in~ntio~, un élément unitaire de ~ractionnement de
~: ~luides, pouvant lui-m~me constituer une par-tie d'un appareil de
fractionnement~ cet élément unitaire étant caractérisé en ce
qu'il comprend:
a) au moins une bande étanche aux fluides traités, en-
roulée sous forme d'un cylindre spiralé~ .
b) des moyens permettant l'introduction ou l'évacuation
d'un fluide ~ l'intérieur du cylindre spirale,
c) une multiplicité de ~ibres creuses, placées poùr la
plupart a l'intérieur du cylindre spiralé, entre ses spireæ,
d) deux parois d'extrémités sensiblement perpendiculai-
-~ res au2 génératrices du cylindre spiralé~ disposées ~ chacunc de.s
extrémités de ce cylindre, chacune des deux parois étant solidPire
a la ~ois de la bande ~tanche, a) et des ~ibres creu~e~ c),
.~: ces fibres creuses traversant de part en part l'une au moins des
-~ parois d'étanchéité et étant ouvertes du caté de cette paroi ext~-` rieur au cylindre spiralé
~'invention concerne également un appareil de ~raction-
~ nement caractérisé en ce qu'il comprend d'une part, au moins un
.~ élément unitaire tel que dé~ini ci-avant, et d'autre part:
e) une enveloppe,
f) au moins un pas3age d!.admission de ~luide m~nagé
: dans l'enveloppe,
g) au moins un passage de sortie de ~luide ménag~ dans
l'.enveloppe, les moyens (d) permettant l'.introduction ou l'éva-
cuation d'un ~luide à l'intérieur du cylindre spiralé débouchant
à l'extérieur de l'enveloppe.
Il est bien entendu que dans le présent exposé, par
l'expression iibres creuses, on désigne des fibres à forme tubu-
laire, c'est ~dire comportanten leursein un canal contidu dispo~e
3~ ~
æen~iblement selon l'axe de la fibre et exempt de matériau macro-
moléculaire.
~ es fibreQ creuses utilisables selon l'invention peuYent
8tre de tout type connu, en particulier il peut 3'agir des iibres
mention~ées dan3 les brevets français 1 307 979, de ~HE DOW CHE~ICA~
COMPANY publié le 2 no~embre 1962, n 1 586 563 de la Société des
Usines Rhone- Poulenc publié le 20 fëvrier 1970, 2 017 387 de DUPON~
de NEMOURS publié le 22 mai 1970, et Am~ricain 3 674 628 de Rhone-
Poulen~ publié le 4 juillet 1572 ou encore des fibres de verre;
ces fibres peuvent 8tre homogènes ou microporeuses, ou anisotropes
(c'eæt à dire "~ peau") ; elles peuYant etre obtenues par voie fon-
due, par voie sèche (évaporation de solvant) ou par voie humide (coa-
gulation) ; les filières mises en oeuvre sont en pratique des ~iliè-
res ~ secteur ou ayant un orifice en forme de couronne. ~es ~ibres
utilisables selon l'invention ont un diam~tre bXtérieur géné~alement
inférieur à 1mm, de préférence inférieur ~ 0,6 mm et pouvant m~me
~ atre compris entre 5 et 100.~.
- ~a nature précise des fibres creuses est choisie en fonc-
- tion de l'application en~isagée (aialyse~ ultra~iltration, échanges
- 20 gaz-gaz ou gaz-li~uides, etc ..),
Dans les appareils de ~ractionnement (séparation et/ou
échange) selon l'invention, le fluide ~ l'extérieur des ~ibres creu-
ses circule ~elon une direction perpendlculaire ou oblique vis ~
vis de ces fibres creuse~, entre le8 spire~ constilu~es par la ban-
de étanche a), et selon un circuit spiralé allant de l'in~.érieur de
l'enroulement en spirale (c'est à dire du mandrin b)) vers l'exté-
rieur ou vice versa.
~ es parois d'extrémités mentionnées ci-avant sous d) sont
également appelées parois d'étanchéité car, ou moins pour l'une
d'entre elles, elles assurent la séparation (de m~nière étanche
bien entendu) entre les ~luides circulant à l'intérieur et à l'ex-
térieur des fibres creuses; en outre elle3 imposent au ~luide exté-
rieur aux fibres creuses de sui~re un trajet en spirale, l'empe-
3~ 7 ~chant de passer directement d'une spire ~ l'.autre par un trajet
radial.
~ a description de la présente in~ention se~a mieux com-
prise ~ l'aide des figures ci-jointes qui illustrent de ~açon sché-
matique~ ~ titre d'exemples non limitati~s et sans échelle détermi-
née, des modes de réalisation de l!in~ention.
~ a ~igure 1 représente, en coupe, un mode de réalisation
d!él~ment unitaire à fibres creuses selon l'.invention~ dans lequel
~- les ~ibres creuses sont ouver~es sur les deux parois d'.extrémités
(ou paroi d'étanchéité);
~ a figure 2 représente, en coupe, un autre mode de réali-
sation d'élément unitaire à fibres creuses selon l'invention~ dans
. .
.~ lequel les fibres creuses ne sont ouvertes que sur une des parois
d!extrémités (ou paroi d'.étanchéité);
~ a ~igure 3 représente, en coupe~ un autre mode de réali-
~ sation d'.élément unitaire selon l'invention~ dans lequel les ~ibres
sont sous forme de tissu et sont ouvertes sur les deux parois
. dlextrémités (ou paroi d'étanchéité);
~ a figure 4 représente, en coupe, un au-tre mode de réali-
sation d'.élément unitaire ~ iibres creuses selon l'.invention~ danslequel les ~ibres creuses sont sous ~orme de tissu et ne sont ou-
. vertes que sur une des parois d'extremités ( ou paroi d!étanchéité);
; ~a ~igure 5 est une coupe selon I-I de la figùre 1 ou se-
. lon II-II de la ~igure 2.
~ a figure 6 est une r~e partielle d!une variante de réa-
lisation d'un élément unitaire selon le~ ~igures 1 ou 2~ (vue en
coupe).
~ a ~igure 7 est une vue partielle en coupe~et~ortement
agrandie de deux spires consécutives des éléments des ~igures 1 ou
~, au cours de leur réalisation.
~ a figure 8 est une vue en perspective précisant les posi-
tions relatives des ~ibres et dlun type de bande étanche
7i
~ es ~igures 9 ~ 11 représentent de~ coupes dlappareils
de fractionnement selon llinvention munis d'éléments unitaires
selon les figures 2 ou 4 ~insi que de troi8 pasSages d'admission
~t/ou sortie de ~luides. ~es trois ~igures se distinguent princi-
palement par la disposition relative desdits passages et des cir-
culations de ~luides correspondantes~
~ a figure 12 représente~ en coupe, un appareil sépara-
teur e~/ou échangeur muni d'un élément unitaire ~elon les figures
1 ou 3,
~es iigures 13a et 13b représentent une disposition par-
ticuli~re des fibres creuses par rapport à la bande étanche, cel-
le-ci étant elle-mame dtun type di~férent des bandes d~crites
dans les ~igures précédentes. ~a figure 13a représente cette
disposition selon une coupe transversale XIIIa-XIIIa de la figure
13b ; la ~i~ure 13 b représente cette disposition ~èlon une vue
~de dessus,
~a ~igure 14 représente, en coupe schématique~ un élé-
ment unitaire selon l'invention da~s lequel la bande étacnche ala
con~iguration décrite aux ~igures 13a et 13b,
~a ~igure 15 représente en coupe un éléme~t unitaire
selon llinvention muni d'une tubulure traversant une seule d~8
parois d'extrémité .
Plus spéci~iquement, l'élément unitaire de la ~lgure 1
comprend un mandrin creux 1 fermé ~ une extrémlté 4~ ayant au
moins une fente longitudlnale 2~ une bande 3 étanche enroulée en
spirale autour dudit mandrin 1, des fibr~s creuses 5 entre deux
spires consécutives de la bande 3~
~ bande étanche est ~ la fois mince (habituellementO,1
à 10mm, de pré~érence 0~5 à 4 mm) et~ de préférence, assez souple
3 pour pouvoir atre enroulée en spirale. ~lle est conætituée de
pré~érence d'un ~ilm de polymère artificiel ou synthétique par
exemple le polyéthyl~ne~ le polychlorure de vinyle, le polypropy-
lène, les polyesteræ (polytéréphtala-te d'éthylène glycol), la cel-
3~7 1
lulose, l'acétate de cellulose, etc .... cette bande e~t étanche
aux ~luides traités dans les conditions opératoires envisagées.
~es ribres creuses sont~ dans ce cas~ parallales au
. m~ndrin 1 et aux génératrices du cyl~ndre spiralé constitué par
la bande étanche 3; elles tra~ersent de part en part chacune des
parois 6 et 7 et sont ou~erte~ en 11 et 12 sur la surface externe
de ces parois.
` Sur la iigure 1, il nla été représenté que quelques fi-
bres creuses et quelques sections de spires de la bande étanche ;
- 10l~ensemble des sections de ces divers éléments nb~a pas été repré-
~enté
~ es parois d~extrémité 6 et 7 sont généralement et
avantageusement constituées essentiellement d~une masse durcie de
colle solidi~iée; comme colle on peut utiliser des colle~ à pri-
se rap~de ou lente~ ~ 1 ou 2 constituants. Comme colles ~ prise
: ~rapide on peut citer les cyanoacrylates d!alcoyle ; comme colles
prise lente on peut citer les résines époxy; mais il ne s'agit
1~ que d'une liste ~on limltative ; d!.autres colles sont c-tées.
en particulier dans le bre~et ~rançais 1 307 979. Evidemment ces
colles doivent ~tre pratiquement inattaquables aux~luides traités.
~ es extrémités des fibres creuses 5 et de la bande 3
sont, en pratique, noyées dans la colle constituant les parois 6
et 7.
Pour obtenir ces parois d~extrémit~s 6 e-t 7, un proc~-
dé uti isable oonsiste à mettre en place la colle apr~s enroule-
ment en spirale de l~.ensernble ~ibr0s-bande étanche; cet ajout de
colle est e~iectué de pré~érence ~ l!aide d~un moule, et plus par-
ticulièrement ~ l'aide d'un moule constitué d'une manière souple
et ~ laquelle la colle n'adh~re pas, par exemple en silicone :
liensemble enroulé en spir~.e (~ibres ~ bande étanche) enrsulé
sur le mandrin est plongé en position verticale dans le moule
contenant la colle non-durcie et de préférence dégazéeO Après
durcissement de la colle, on déboite le moule partoutmoyen connu.
- 7 -
l~z3tj7~
~ obtention des parois d~extrémités 6 et 7 peut encore
tre r~alis~e en disposant la colle au ~ur et ~ mesure de l'enroule-
ment de la bande étanche et des fibres autour du mandrin. Pour ob-
tenir les parois 6 et 7 on peut enfin combiner les deux procédés
qui viennent d7.être décrits.
~ lément unitaire de la figure 1 a été représenté muni
encore d'un treillis (ou grille ) 8 de contention~ de deux colliers
9 et 14~ ces colliers étant pourvus eux-m8mes de joints, de préfé-
rence toriques, 10 et 13
~ ~e treillis de contention a pour fonction essentielle
d'~viter tout flottement de la bande ~ et des ~ibres creuses 5 à la
périphérie de l'enroulement.
. ~es colliers 9 et 14 avec leurs joints 10 et 13 ont pour
r6le d.9.assurer le positionnement et l'étanchéité entre l'élément
. unitaire et l'enveloppe dans l~appareil de fractionnement complet
sèlon l'invention, lequel appareil sera décrit ultérieurement.
Un moyen a~antageux de fixer ces colliers 9 et 14 aux pa-
~' rois d'.extrémités 6 et 7 qu!ils entourent est de les insérer da~slemoule en silicone do~t il a été parlé ci-avant et qui sert ~ cons-
~ituerlesparois d!.extrémités 6et7. ~orsquelacolle a durci, on reti-
rele moule'quiestsouple etle collier reste en place aveclacolle.
.'.elément unitaire de la ~igure 1 est utilisable aussi
bien dans les appareils séparateurs que dans les appareils échan_
geurs car il est susceptible d.latre tra~ersé par deux oourants de
~luides dif~érents Ceci sera mieux compris lors des explications qui seront données à propos de la figure 12.
~a réalisation de l~élément unitaire décrit ci-avant
a lieu habituellement grâce aûx opérations suivantes:
. ~) fixation des ~ibres creuses sut la bande étanche~ cette
30 ~ixation ayant lieu de préférence par enroulement des ~ibres creuses
autour de la bande étanche ; cette étape sera détalllée à proposdes figures 7 et 8 ~a ~ixation peut ne pas rendre réellement soli-
daires les fibres et la bande, et dans certains cas il su~it de
.i - 8 -
~, ,
367~
maintenir fibres et bandes, juxtaposées pour ensuite procéder à
l~.enroulement ; ce point sera développé notamment ~ propos de l'u-
tilisation de fibres tissées
a) enroulement en spirale de la bande étanche garnie de
8e~ fibres creuses autour d'un mandrin creux.
Y) collage des extrémités du cylindre spiralé (fibres
et bande étanche) de maniare ~ réaliser les masses durcies consti-
tuant les parois d!extrémités ; cette étape a déjà ~té décrite plus
haut ; on peut coller soit en plongeant l!.eætrémité du cylindre
spiralé dans de la colle (avec un moule de pré~érence) soit en ré-
: pandant de la colle ~ prise rapide au ~ur et ~ mesure de lt.enrou-
lement en spirale à l!.endroitoùla bande plane commence às'enrouler
~urla spire précédente, soiten combinant ces deuæ méthodes. Ainsidonc,
- l'opération ~ peutêtre totalement oupartiellement concomitante avec
l'étape ~, .
; ~) ouverture des extrémités de ~ibres creuses, cette ou-
rerture étant e~fectyée de préférence par tronconnage des extrémi-
~ t~s; ce tronçonnage peut ~tre effectué par tout moyen connu ou
; équivalent, par eæemple à l'aide d'une scie circulaire ( ou non cir-
culaire) ou encore par rabotage ou décolletage; au cours de ce .
tronçonnage le mandrin 1 est bien entendP laissé intact.
~es étapes suivantes de réalisation d'élément unitaires
~ selon l'invention sont facultatives:
e) mise en place d'un treillis de contention.
~) mise en place d'une légère surépaisseur de colle sur
lapériphérie desparois 6et7etmise en place surcettecolledescol-
: liers9 et14,lacolle étant répanduede ~açonquelesdits collierssoient
solidaires desparois6 et7et dansune re]~tiond'étanchéité avec elles.
~ ~) mise en place des joints 10 et 13 sur les colliers,
cette mise en place pouvant avoir lieu avant ou après l'étape ~
Comme il a été indiqué précédemment, l'élément unitaire
de la ~igure 2 comporte des ~ibres creuses qui ne sont ouvertes en
. 11 que sur l'une des parois d'extrémités 7. ~es ~ibres creuses ont
,~.....
367~
été représentées comme ayant une forme de U dont la partie arron-
die est noyée dans la paroi 6. ~a réalisation d!un tel élément
unitaire se fait comme décrit précédemment à propos de la figure 1, .
l,'étape 6 d'ouverture des fibres n!étant toutefois effectuée que
sur l!une des extrémités du cylindre spiralé ~ bande (a) + fibres
(c) + mandrin (b)~ obtenu au cours des étapes précédentes.
~ es fibres creuses ne sont toute~ois pas nécessairement
en forme de U comme dans le cas présent ~ elles peuvent être aussi
rectilignes l'une de leur extrémité étant simplement noyée dans et
obturée par la paroi 6.
.~!'.élément unitaire de la figure 2 n1Jest muni que d!.un
seul collier 14 et joint 13 car il ne peut être utilisé que dans
les appareils de séparation (appareils à trois passages dt.admission
et/ou sortie dans l'enveloppe) ; en eifet~ comme cela ressortira
mieux dans les explications données ~ propos des figures 9 ~ 11,
l,'élément unitaire de la figure 2 permet seulement :
- d,'une part une circulation de fluides ~ l'.extérieur des ~ibres
creuses~
- d!autre part, un écoulement de fluide à l'.intérieur des ~ibres
creuses, ce fluide ayant perméé à travers les parois de ~ibres
creuses de l,'.extérieur vers l!.intérieur de ces ~ibres.
En contraste avec cët élément unitaire de la ~igure 2,
l'élément unitaire de la ~igure 1 permet non seulement ces deux
phénomènes (circulation de ~luide à l'.extérieur des fibres ; écou-
lement de perméat à l,?.intérieur) mais il permet encore deux circu-
lations distinctes de fluides distincts7 l~.une ~ l,.?,e~térieur des
~ibres l,?.autre a l,!intérieur des ~ibres.
Il est ~ signaler que la ~ente longitudinale 2 peut
~tre remplacée par une pluralité de perforations.
~!élément unitaire de la figure 3 reprend en majeure par-
tie l'élément décrit ~ la ~igure 1. Ils s!.en distingue toutefois
par les points suivants: les fibres creusës sont disposées sous
forme d.'.une nappe de fibres entrecroisées ou entrelacées9 de pré-
:
- . -- 10 --
~z3~71
,
féxence une nappe tissée ; il peut cependant également s'agir de
~ibres tricotées; dans ce qui suit, pour la commodité, on utili-
sera l'expression nappe de fibres creuses.
Cette nappe de fibres creuses peut atre constituée unique-
ment de ~ibres creuses ou conjointement de fibres creuses et de ~ils
pleins, la proportion de fibres creuses ouvertes à au moins une de.
leurs extrémités (cette extrémité ouverte débouchant sur l!.un des
bords du cylindre constitué .par la nappe enroulée en spirale avec
la bande étanche) étant généralement supérieure à 50 % en nombre,
avantageusement supérieure à 90 %, de préférence égale à 100 %.
~ '.enroulement en spirale de la nappe de fibres creusespeut être ~ait~ dans le cas de fibres tissées~ soit avec le droit-
fil parallèle ~ l'axe du mandrin creux, soit de pré~érence en biais.
Cet enroulement en biais a l'avantage de donner la possibilité de
~aire déboucher toutes les fibres (tant celles de trame que de
cha~ne) sur les parois d'extrémités du cylindre spiralé. ~ien que
cet enroulement en biais soit préférentiel, les figures 3 et 4, il-
-` lustrent un enroulement avec droit-fil parallèle à l.'axe du man-. drin~ ceci pour la commodité et la clarté de la représentation.
:~ 20 Sur la figure 3 la nappe de ~ibres creuses n'a pas été
représentée à l'.exception de quelques ~ibres creuses longitudina-
les 16 et de fibres transversales 15 ; en outre il s'.agit d'.une
: nappe de tissu dont le droit-~il e~t parall~le ~ l'axe du mandrin,
mais bien entendu on pourrait.également (et même pré~érentielle-
ment)~ utiliser un tissu en biais par rapport à l!axe du mandrin
~es ~ibres transversales 15 n~aboutissant ~ aucune des deux parois
6 ou 7~ il importe qu'elles ne contribuent pas à une circulation
parasite de fluide entre l!.extérieur et l'.intérieur des ~ibres
creuses 16 qui seront en realité les seulés actives dans le frac-
tionnement ~ l~'aide de l'appareil selon l'.invention~ ~es ~ibres
transversales 15 sont donc en réalité des ~ibres inactives et pour
éviter qu!elles ne contribuent à une circulation parasite de flui-
. de, on peut choisir deux solutions préférées : selon une première
o~3671
solution les ~ibres 15 sont des ~ibres pleines, auquel cas la nap- -
pe de fibres comporte des fibre~ creuses en trame et des fibres
pleines en cha~ne ou inversement: selon une autre solution les
~ibres 15 sont également des fibres creuses mais leurs extrémités
~ sont obturées, par exemple~ par collage, coupure, scellage, ther-
moscellage.
Dans ce qui précède les fibres longitudinales 16, bien
qu'étant de forme sinuso~dales, sont considérées quant à leur direc-
tion générale comme sensiblement parallèles aux génératrices du
cylindre spiralé.
~ e procédé de réalisation de llélément unitaire de la
.~ figure 3 est dans ses grandes lignes le même que le procédé décrit
à propos de la figure 1;
la différence essentielle réside dans l'opération a : il n'y a pas
besoin de rendre les fibres creuses réellement solidaires de la ban-
de étanche; il suffit de les superposer et d'enrouler ensuite (éta-.
pe ~) cet ensem~le à deux couches (bande ~ nappe). Ces opérations
constituent en quelque sorte un guipage ; on peut en~in, et plus
simplement, enrouler directement et ensemble la nappe tissée de
fibres creuses et la bande étanche
~ 'élément unitaire décrit à la figure 4 reprend en majeu-
re partie I'élément décrit a la figure 2 Il s'en distingue tou-
tefois par les mêmes points qui distinguaient l'élé~ent unitiare
de la figure 3 d'avec celui de la figure 1. Autrement dit les
fibres creuses à la figure 4 constituent une nappe de préférence
; tissée~ .
~ a figure 5 représente une coupe selon I-I de llélément
unitaire de la figure 1 ou selon II-II de l'élément unitaire de la
figure 2. Cette figure 5 montre clairement la circulation en spi-
rale du fluide à l'intérieur des spires de l'élément unitaire et
l'extérieur des fibres creuses ; on voit également que ~ette cir-
culation est perpendiculaire aux fibres creuses lorsque ces fibres
creuses acti~es sont sur la bande étanche comme indiqué aux ~igures
.
~. - 12 -
3fà71
7 et 8 ~ soit lorsque les fibres sont SOU8 forme d'une nappe tissée
dont le droit ~il est parallèle à l'axe du mandrin.
~ orsque les fibres creuses sont sous fo~me d'une nappe
tissée enroulée en biai~ sur le mandrin, la circulation de ~luide
à llextérieur des fibres creuses (et entre les spires de bande
ëtan~he) est oblique vis à vis de ces iibres creuses.
A la figure 5, les petites fl~ches indiquent le sens de
la circulation du ~luide provenant dans ce cas de l'intérieur 18
du mandrin creux 1 pour sortir de l'enroulement en 19 après avoir
~0 8UiVi un parcours spiralé entre les spires de la bande étanche 3
et ~ travers la multiplicité de fibres creuses 17 lesquelles n'ont
été représentées, dans un but de simplification, qu'au début et à
la fin de l'enroulement.
- Apr~s être sorti de l'enroulement en spirale, le fluide
traverse le treilli~ 8,
Bien entendu le sens de circulation du ~luide extérieur
aux ~ibres peut être inversé.
~'écartement entre les spires peut ~tre soit constant
soit variable d'un bout de l'enroulement à l'autre, le nombre de
fibres creuses entre deux spires de la bande étanche pouvant varier
de façon correspondante ; en utilisant une section de passage (espa-
; ce entre deux spires) croissant du mandrin ver~ l'extér~eur de l'en-
roulement ou vice versa, il est possible de réallser un balayage
de fibres creuses à vitesse sensiblement constante.
Selon une variante de l'invention les ~ibres creuses si-
tuées ~ l'extérieur de la dernière spire 21, entre cette spire 21
et le treillis 8 de contention, sont supprimées car, dans certains
cas, elles ne participent que faiblement au fractionnement de ~lui-
de.
Bien que le mandrin 1 puisse être muni de perforations
multiples et que la bande étanche puisse ne pas être fixée au man~
drin 1, cependant, selon le mode préférentiel représenté ~ la
figure 5, le mandrin est per~oré par une fente longitudinale 29
; l~Z 3~ 7 1
et la bande étanche 3, au début de so~ enroulement est collée éga-
lement longitudinalement en 20 sur ce mandrin 1.
~ es éléments unitaires des figures 3 et 4 sont construits
de la m~me manière qui ~ient dlêtre indiquée à propos de la ~igure
5, avec toutefois le remplacement des ~ibres 17 par des n~ppes de
~ibres creuses de préférence tissées ~a masse durcie de colle 20
p~ut dans ce cas avoir en outre le rôle d'obturer les extrémitég
de ~ibres creuses inactives, c'est à dire ne participant pas au
~ractionnement selon ce qui a été développé plus haut
tO ~a figure 6 représente, en coupe, une variante d'élément
. .; .
unitaire. Au lieu d'une seule bande étanche 3 munie de ses fibres
creuses comme à la figure 5, il y a trois bandes étanches et par
suite trois circuits de ~luide entre les spires~ On peut également
réaliser des éléments unitaires munis de deux ou de plus de trois
bandes étanches.
Ia ~igure 7 représente, en coupe, deux spires consécuti-
ves de la bande étanche munie de ses fibres creuses lors de la réa-
lisation de l'élément unitaire.
~a figure 8 représente, en perspective et avant enroule-
ment, une section de bande étanche autour de laquelle sont enrou-
lées des fibres creuses~
Dans ces ~igures 7 et 8 la bande étanche 3 est munie de
rainures qui améliorent l'écoulement de fluide entre les spires ;
selon une variante, la bande etanche peut comporter tout autre type
de relie~s notamment des stries ou des picots; ces reliefs sont des-
tinés ~ créer de bonnes conditions d'écoulement de ~luides, de ba-
layage des ~ibres creuses par le fluide extérieur et, par suite,
de bonnes conditions de perméation. Ces reliefs peuvent également
engendrer des turbulences favorables ~ la perméa-tion.
Dans ces ~igures 7 et 8, les ~ibres creuses 5, représen-
tées par de simples traits, sont enroulées autour de la bande~ en
position transversale, en une ou plusieurs couches, sur toute la
- longueur de la bande ; dans un but de simpli~ication on n'a repré-
.. . .
~ 14 -
r
~ 3t;7~
~. ~
senté ~ la figure 8 qu'une partie de cet enroulement.
A la figure 8 la bande étanche est représentée encore
plane. Après enroulement des fibres l'ensemble est enroulé en spi-
rale et les extrémités sont en mame temps collées ; c'est ce qui
donne naissance aux masses durcies 6 et 7 sur la figure 7. ~'ou-
verture des ~ibres creuses se ~ait par tronQonnage par exemple se-
lon les plans III-III et /ou IV-I~ ; après ce tronçonnage et élimi-
nation de la colle latérale, les masses durcies restantes 6 et 7
constituent les parois d'extrémités dont il a été parlé plus haut.
~es figures 9 à 11 représentent des coupes dlappareils
selon l'invention munies de trois passages dtadmission et/ou sortie
de fluides ; ce sont donc des appareils plus spécialement adaptés
aux opérations de séparation (ultrafiltration et osmose inverse
notamment) fonctionnant avec circulation de ~luide sous pression
l'extérieur des ~ibres.
Ces trois appareils des ~igures 9 à 11 sont constitués
essentiellement d'une enveloppe et d'un élément l~itaire tel que
décrit aux figures 2 et 4, llenveloppe étant elle-mame constituée
d'un carter et de deux ~lasques dont l'un au moins est de pré~éren-
ce amovible.
Dans l'appareil de la ~igure 9, le carter représenté en25 et il est muni d'une tubulure 29 ; les flasques sont repr~sent~s
en 27 et 26 ce dernier étant le seul à 8tre muni d'une tubulure
30. On retrouve les constituants de llélément unitaire à sa~oir
les deux parois dlextrémités 6 et 7, le collier 14 avec son joint
torique 13~ le mandrin 1, et la nappe de ~ibres creuses, l!ensemble
(bande étanche + ~ibres creuses) enroulé en spirale, lequel ensem-
ble est représenté par la zone quadrillée et par son contour exté-
rieur 33. ~rois bagues ouvertes et élastiques 34, 35 et 36 servent
au posit~onnement des ~lasques 27 et 26 et de la paroi dlextrémité
7. ~!élément unitaire est ~ixé par le ~ait que la seconde paroi
d'extrémité 6 est adossée au flasque 27. Des dispositi~s~d'étan-
- 15 _
1 a~ 3~ 7 ~
chéité 37, 38 et 39, constitués préférentiellement de joints
toriques,. assurent l'étanchéité entre le carter, le mandrin et les
~lasques.
Dans tous les appareils du présent exposé~ et en particu-
l~er celui de la figure 9, la circulation des ~luides à l!extérieur
des ~ibres creuses est représentée par des fleches a un chevron,
tandis que la circulation des fluides à l!intérieur des fibres creu-
ses est représenté par de~ ~lèches à deux chevrons.
Plus spéci~iquement, dans la ~igure 9 la circulation ex-
térieure aux fibres creuses est représentée schématiquement par la
~lache 40 ; le ~luide ~ fractionner entre en 28 dans le mandrin
1~ il sort de ce mandrin par la fente 2 et va, selon le trajet 40,
- bai~ner les fibres creuses disposées entre les ~pires de la bande
- étanche ; le ~luide ~ ~ractionner sort ensuite de la nappe spira-
lée pour aller dans le compartiment 41 situé entre le carter 25 et
l'enroulement en spirale 33, puis est ensuite éliminé de llappareil
par la turbulure 29 qui ~ait partie du carter 25. Ce trajet de
fluide a été ainsi représenté pour la clarté de l!exposé mais bien
e~tendu on peut inverser le sens de circulation du fluide à l'ex-
térieur des ~ibres creuses, auquel cas le ~luide à fractionner est
alimenté par la turbulure 29 qui devient une tubulure d!admission et
non plus de sortie ; ce fluide traverse l!enroulement en spirale et
est recueilli dans le mandrin 1 pour sortir en 28, Il ~aut rappe-
ler ici que dans tous les cas illustrés le mandrin est bouché à une
: extrémité par une cloison interne non représentée mais située
l'endroit désigné par 4,
Quoiqu..l.ilen soit des variantes relatives à la circulation
à l!extérieur de.s ~ibres creuses, le ~luide ci.rculant à l'.intérieur
de ces mêmes f~bres provient de la perméation à travers les parois
des ~ibres du liquide circulant ~ l'extérieur; il circule dans les
fibres en direction de leurs ouvertures situées dans la paroi d'ex-
trémité 7, traverse cette paroi 7, entre dans le compartimen-t 42
suit le trajet des flèches ~3 et sort par la tubulure 30.
- 16 -
~Z 36 7 ~
Selon une variante pré~érentielle, le compartiment 42
comporte une plaque poreuse (non représentée) en contact avec la
paroi d'extrémité 7 et le flasquc 26 cette plaque est suf~isamment
.- poreuse pour ne pas perturber l'écoulement du perméat et elle per-
met par ailleurs d'.aider la paroi dtèxtrémité 7 à supporter la
pression appliquée à l'extérieur des fibres creuses. Cette plaque
poreuse peut être~ par exemple en verre ou en métaux irittés.
~'appareil décrit à la ~igure 10 est semblable, pour
llessentiel, à celui de la ~igure 9 et il ne s!en distingue que
10 par les éléments suivants:
~e carter 25 muni de sa tubulure 29 a été remplacé par le
carter 32 sans tubulure ; inversement le ~las~ue 27 sans tubulure
; a éte remplacé par le ~lasque 31 muni d!.une tubulure 44 ; il a par
: suite été nécessaire de réaliser un compartiment 46 situé entre la
. paroi d!.extrémité 6 et le ~lasque 31. ~e posîtionnement des divers
éléments de l!appareil est réalisé comme précédemment par les
trois bagues ouvertes élastiques 34~ 35 et 36~ mais~ ici ~ la figu-
re 9 un autre dispositif est nécessaire pour positionner le flasque
31 par rapport à la paroi d'.extrémité 6 de ltélément unitaire Ce
. 20 dispositif de positionnement peut être constitué par un épaulement
45 du mandrin ; il peut avantageusement atre constitué par une pla-
. que poreuse (non représentée) traversée en son centre par le man-
` drin 1 et placée en contact avec le ~lasque et la paroi 6~
~ ~!appareil déorit à la ~gure 11 ressemble ~galement aux
appareils des ~igures 9 et 10 mais comporte les particularités sui-
vantes : ~!.élément unitaire a été retourné en sorte que la paroi
7 d!extrémité comportant les ouvertures de ~ibres creuses limite
le oompartiment 42 situé entre cet-te paroi 7 et le flasque 31. ~e
positionnement des diverses parties de l!appareil est assurée par
l'épauleme~t 45 et les bagues ouvertes éiastiques 34 et 36, la pa-
roi d.'extrémite 6 étant adoæée au ~lasque 27 ~e ~luide situé à
llextérieur des ~ibres creuses entre en 28 dans le mandrin 19 tra-
verse l'.enroulement en spirale selon le trajet 40, est recueilli
ll~Z367~
dans le compartiment 41 et est évacué de l'appareil par la tubulure
29, ~e fluide situé ~ l'intérieur des ~ibres creuses sort des fi-
bres à travers la paroi 7, est recueilli dans le compartiment 42,
suit le trajet 43 et sort de l'appareil par la tubulure 44. ~omme
précédemment on peut inverser le sens de circulation du liquide si-
tué ~ l'extérieur des ~ibres creuses. On peut également avantageu-
sement remplacer llépaulement 45 par une plaque poreuse (non repré-
sentée) occupant le compartiment 42.
~ a figure 12 représénte une coupe d,'.appareil de ~raction-
nement selon l!invention muni de quatre passages dladmission et
sortie de ~luides ; ce sont des appareils adaptés aussi bien aux
opérations d!échange qu'.aux.opérations de séparation. Dans les
opérations d'échange les quatre tubulures se répartissent avanta-
geusement en deux tubulures d'admission et deux tubulures de sor-
,tie. Dans les opérations de séparation les quatre tubulures se
rèpartissent avantageusement en une tubulure d!admission et trois
tubulures de sortie de fluides; les schémas de circulation de flui-
des spécifiquement représentës à la ~igure 12 se rapportent à des
op~rations d'.échange.
Cet appareil de la ~igure 12 est constitué essentiellement
d~'.une enveloppe et d'un élément unitaire tel que décrit aux ~igures
1 et 3, l.l..enveloppe étant elle-même constituée d'un carter et de
deux ~lasques aont l.'u~ au moins est de pré~érence amovible.
Dans cet appareil de la ~igure 12~ le carter est repré-
senté en 25 et il est muni d'une tubulure 29 ; les ~`lasques sont
représentés en 26 et 31 et sont munis chacun d!,une tubulure, respec-
tivement 30 et ~4. On retrouve les constituants de llélément uni-
taire à savoir les deux parois 6 et 7, les colliers 1~ et 9 avec
leurs joints toriques 10 et 13, le mandrin 1 et l!.enroulement
en spirale (bande ~ ~ibres creuses) qui est représenté comme pré-
cédemment par la zone quadrillée et le contour extérieur 33. Trois
bagues ouvertes et élastiques 34s 35 et 36 servent au positionnement
des flasques 26 et 31 et de la paroi 7. Llélément unitaire est
- 18 -
~t~Z3~'7~
~ixé par l'épauleme~t 45 au mandrin 1.
Des dispostifs d'~tanchéité 37~ 38 et ~9, constitués pré-
~érentiellement de joints toriques assurent l'étanchéité entre le
carter, le mandrin et les flasques.
- Il est ~signaler~ à propos de cet appareil~ que les flas-
ques ainsi disposés sont amovibles il est toute~oi~ possible de
remplacer l'un des flasques amovibles. par un flasque fi~e par exem-
ple par suppression du joint 39 et de la bague 36 et scellage du
flasque 26 au carter 25 ; selon une variante le carter 25 et la
flasque 26 sont fabriqués de manière à constituer une seule piè-
ce. Ces considérations sur l!amovibilité des ~lasques sont vala-
bles de la m8me mani~re pour ies appareils décrits aux ~igures 9
11,
Plus spéci~iquement dans la figure 12 le ~luide circulant
l'.extérieur des iibres creuses entre en 28 dans le mandrin 1,
sort du mandrin par les per~orations 2 passe entre les spires de
la bande étanche et autour des ~ibres creuses selon le trajet re-
.......... présenté schématiquement par la ~lache 40, est recueilli dans lecompartiment 41 et est évacué par la tubulure 29. ~e ~luide circu-
lant ~ l'intérieur des fibres creuses entre par la tubulure 44~ pé-
nètre dans le compartiment 46, entre dans les fibres creuses tra-
versant la paroi 6 ressort des ~ibres creuses en traversant la pa-
roi 7~ est recueilli dans le compartiment ~2 et est évacué par la
tubulure 30.
Ces trajets de fluides ont été ains.i représentés pour la
j clarté de l!exposé mais bien entendu, on peut inverser le sens de
circulation de l'un et/ou l'autre des deux ~luides.
Dans tous les cas, la pression, stil y en a, peut ~tre
ainsi bien à l!intérieur qu'à ltextérieur des fibres creuses, se-
ll 30 lon l!application envisagée.
I Dans le cas o~ l'appareil de la figure 12 serait uti.lisé
dans des opérations de séparation9 le fluide ~ fractionner entre-
rait avantageusement en 28 pour ressortir en 29, tandis que le per-
, -- 1 9 -
3t;7~ `
méat sortirait aux deux extrémités des fibres creuses tra~erserait
chacune des deux parois 6 et 7 (en sens inverse) pour entrer dans
les compartiments 42 et 46 respectivement et enfi~ ~ortir par les
tubulures 30 et 44 respectivement.
~es deux compartiments 42 et 46 peuvent~ le cas échéant~
être munis de plaques poreuses comme indiqué précédemment à propos
de la figure 9.
~ es figures 13a et 13b représentent respectivement une
coupe et une vue de dessus d'une portion de bande étanche de forme
particulière sur laquelle reposent des fibres creuses ( la coupe
est faite au niveau XIIIa - XIIIa indiqué sur la figure 13b) ; cette
bande étanche 3 est munie de créneaux 47 disposés selon des zônes
longitudinales, ce qui en coupe (fig. 13a) lui donne la forme d'un
rail crémaillère. Dans ces figures la bande étanche a été représen~
tée munie de 3 zones crénelées mais un nombre supérieur peut aussi,
bien entendu, atre utilisé ~es ~ibres creuses 5 sont disposées
entre les créneaux sur une épaisseur ne dépassant pas celle des cré-
neaux (voir fig. 13a). ~a mise en place de ces fibres creuses sur
cette bande étanche de forme particulière s!effectue selon les mé-
thodes déjà décrites à propos des bandes exemptes de créneaux
Eventuellement on peut coller les fibres dans les créneaux de la
zane 49 lors du montage ~.'.enroulement en spirale sur un mandrin
:.d'une telle bande étanche conduit~ aprè~ fi~ation ad~uate d~s ex-
:.trémités de fibres, à un élement unitaire tel que représenté à la
.. figure 14~
Cet élément unitaire de la figure 1~ est semblable à ce-
lui de la ~igure 3 mais s!en distingue par la présence de la cloi-
son 48 ; cette cloison 48 est en réalité formée par l'ensemble des
crénaux de la zone crénelée 49 de la figure 13b ; il s'ensuit que
l'élément unitaire est di~isé en deux compartiments séparés et le
jtrajet en spirale du fluide circulant à l~extérieur des fibres
creuses peut 8tre représenté par les 2 fl~ches en spirale (figure
14).
. _ 20 -
``` ~ 3~71
- ~a mise en oeu~re de ces cr~neaux permet de maintenir
une distance constante ou régulière~ent variable entre les spires
de la bande étanche; cela permet également d~améliorer l~écou-
lement de ~luide extérieur aux ~ibres creuse~.
Bien entendu l'élément unitaire de la figure 14 peut
~tre modifié de di~erse~ manières ; c~eSt ainsi que les ~ibres
creuses peuvent atre ouvertes ~ une ou deux extrémités, la cir-
culation de ~luide à llextérieur des fibres peut atre dans le
sens mandrin vers l'enveloppe ou enveloppe vers mandrin.
~e corps des appareils de fractionnement selon l'in~en-
tion, tant en ce qui concerne notamment le carter que les flas-
ques, l~âme et les colliers, peut être en tout matériau ~olide,
rigide et étanche, notamment en métal ou de pré~érence en poly-
; mère synthétique.
Quoique les éléments unitaires et les appareils décrits
jusqu'ici possèdent préférentiellement tous un mandrin (1) soli-
daire des deux parois dlextrémité (6 et 7), il est cependant pos-
- sible que le mandrin ne soit solidaire que d~une seule des deux
parois. Dans ce cas le mandrin ne traverse qu'une des deux pa-
rois (6 ou 7) et il peut aller asse~ prè~ de l'autre paroi æans
la toucher.
Dans un autre mode de réalisation, un élément unitaire
. ~
peut ne plus avoir de mandrin, mais simplement au moins une tubu-
lure traversant au moins une de~ deux parols d~extrémité (6 et 7),
chaque tubulure débouchant entre les deux parois. Un élément
unitaire de ce type est représenté ~ig. 15 et est identique à
celui de la fig. 2, à ceci près que le mandrin (1) est réduit à
une simple tubulure (50). ~ien entendu l'élément unitaire de la
~ig. 1 pourrait lui aussi avoir le mandrin (1) remplacé par une
simple tubulure (50) identique à celle de l'élément unitaire de
la ~ig. 15.
Comme il a été indiqué plus haut les a~pareils de frac-
tionnement selon l'invention sont utilisables en dialyse, untra-
~z 3~ ~ 1
filtration~ osmose inYerse et perméation gazeuse; di~erse~ ap-
plications plus précises sont telles que celles citées dans le
brevet ~ran~ais 1 307 979 fe ~HE DOW CHE~ICAL COMPANY publié
le 2 novembre 1962 ; il faut spécialement ci~er comme applica-
tion intéressante le rein arti~iciel ~ dialyse et/ou ultrafil-
tration, et le poumon artificiel.
Les avantages principaux des appareils de ~ractionne-
ment de l!invention sont leur facilité de construction~ les pos-
~ibilités de réaliser des él~ments unitaires amovibles, inter-
changeables, et le bon balayage des ~ibres creuses par le liqui-
- de circulant à l'extérieur de ces ~ibres.
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- 2~ _
