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WO2002085511A1 - Dispositif perfectionne d'echange et/ou de reaction entre fluides - Google Patents

Dispositif perfectionne d'echange et/ou de reaction entre fluides Download PDF

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WO2002085511A1
WO2002085511A1 PCT/FR2002/001416 FR0201416W WO02085511A1 WO 2002085511 A1 WO2002085511 A1 WO 2002085511A1 FR 0201416 W FR0201416 W FR 0201416W WO 02085511 A1 WO02085511 A1 WO 02085511A1
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WO
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spacers
chamber
spacer
fluid
plate
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/001416
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English (en)
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WO2002085511A8 (fr
Inventor
Fabrice Chopard
Marc Berthou
Christian Aussudre
Original Assignee
Alfa Laval Vicarb
Electricite De France - Service National
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Publication date
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Priority to CA2445434A priority patent/CA2445434C/fr
Priority to EP02738203A priority patent/EP1381460A1/fr
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Publication of WO2002085511A8 publication Critical patent/WO2002085511A8/fr
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Definitions

  • the invention relates to the field of exchange and / or reaction between fluids, whether it is the exchange of calories or frigories, for example by heating or cooling, or the exchange of constituents, for example by filtration or separation or absorption or desorption, or by injection of product (s), or by a chemical reaction.
  • a device for exchanging between at least two fluids in which, on the one hand, at least one “thick” first chamber is provided, defined by the side walls of a first spacer hollowed out so as to allow the circulation of a first fluid, and on the other hand, at least one second “thin” or thick chamber for the circulation of a second fluid, the first and second chambers being separated by a first exchange wall allowing exchange and / or a reaction, thermal and / or by mass transfer, between the fluids circulating in the first and second adjacent chambers.
  • the volume and configuration of the chamber delimited by the spacer are variable. Consequently, the spacer can be completely or partially hollowed out, or define at least two independent sub-chambers. In the latter case, the sub-chambers can be defined by machining or molding.
  • the treatment can be either thermal, or "physical" (filtration or separation of constituents), or simultaneously thermal and physical.
  • the treatment can also be chemical if a reactive material or a mixture of materials is placed in the first chamber, or if a reactive agent, such as a catalyst, is introduced into it.
  • the elements comprising these materials can be fixed on a side wall, or be suspended between two added plates (or stacked), or be added in the volume of the spacer chamber.
  • Injection nozzles can be envisaged to allow the injection of one or more reactive products into a chosen area of the chamber.
  • the invention can be used for endothermic or exothermic reactions.
  • the first spacer may include a first closed side wall, forming the first exchange wall and having an external face arranged to cooperate with a plate, or a first or second closed wall of a spacer of another block, so to define the second bedroom.
  • the first spacer and the attached plate (or the first spacer only) define a modular processing block, and several blocks can be mounted in series and / or in parallel, as soon as their first spacer has a second side wall. , parallel (or inclined with respect to) the first closed side wall, and open so as to be closed by the plate of another block (or else closed to define a second chamber with the first wall of the next block).
  • the insert plate can be recessed, slightly, in the spacer or placed against it (possibly being attached to it).
  • another first spacer is provided, the external face of the first exchange wall of which is intended to be sealed by the plate of the modular block to define another second chamber, the first two spacers and the plate thus defining a modular on-block processing;
  • the first spacer may have a first open side wall, and at least a first and a second plate are provided which jointly define the second chamber (either by welding or brazing, or by stacking with the interposition of a seal), the first plate being further intended to close the first side wall open in forming the first exchange wall.
  • first spacer and the first and second plates define a modular processing block, and several modular blocks can be mounted in series and / or in parallel as soon as their first spacer has a second open side wall, placed opposite a first open side wall, intended to be closed off by the second plate of another block;
  • a second thick spacer can be provided comprising side walls defining a second chamber hollowed out so as to allow the circulation of the second fluid, the first and second spacers respectively presenting first open side walls intended to be placed one opposite the other with the interposition of a separation membrane or a plate forming the first exchange wall.
  • first and second spacers and the membrane define a modular processing block, and several modular blocks can be mounted in series or in parallel as soon as their first spacer has a second side wall is open and intended to be placed in sight of a second open side wall of another block with the interposition of another membrane or of a sealed plate, is closed and intended to be placed opposite a second side wall closed of another block;
  • the latter can be formed by machining (or recess) or by attachment to an attached plate, of the same nature as the spacer or of a different nature.
  • the connection can be final (welding, brazing or bonding) or not final (stacking with the interposition of a seal).
  • At least some of the plates forming an exchange wall are equipped with fluid disrupters, so as to promote heat exchanges between first and second fluids.
  • the disturbers can be formed on the surface of the plates, for example by stamping, or else secured to the surface of the plates. Alternatively, the disturbers can be housed in the bedrooms.
  • at least one of the spacers can accommodate means for injecting fluid, such as an injector making it possible to introduce a third fluid inside the chamber of this spacer. It is also possible to provide several injectors intended for the introduction of fluid (s) or product (s) at selected, different locations, of a spacer.
  • At least one of the spacers can accommodate a static, added mixing element, such as for example a vortex, or a metallic foam, or a mouse or a catalytic coating, or even a generator.
  • turbulence or an agitator such as, for example, fins offset strip type.
  • a spacer may also house several elements of the type of those mentioned above, including elements ensuring different functions. This or these elements may be housed in one, or produced in the form of a cartridge type insert.
  • the circulation of the fluid inside a chamber can be either substantially parallel to the closure plates (or side faces), and in a single pass, or non-linear because it follows a flow path, for example in steps, intended to increase its time of presence inside the room, for example.
  • a path can be defined by attached cells housed in the room.
  • at least one of the spacers can be formed by assembling (or juxtaposition) of at least two sub-spacers, possibly of different dimensions.
  • the volume of the chamber thus delimited is chosen as a function, in particular, of the flow parameters: charge, viscosity, residence time and the like.
  • the invention relates to numerous applications, and in particular in the field of thermal and / or chemical treatment of a first liquid or fluid, in particular food or chemical, or in the field of separation or mixing of components of a first complex fluid , for example by filtration.
  • a first liquid or fluid in particular food or chemical
  • a first complex fluid for example by filtration.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a second embodiment of a device according to invention
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a third embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of a fourth embodiment of a device according to the invention.
  • FIGS. 5A and 5B are schematic sectional views of two variants of a fifth embodiment of a device according to the invention.
  • FIGS. 6A and 6B are schematic sectional views of two variants of a sixth embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 7 is a schematic sectional view of a seventh embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of a device of the type illustrated in FIG. 7,
  • FIG. 9 is a variant of the device illustrated in FIG. 8,
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of an eighth embodiment of a device according to the invention, (variant of the device illustrated in Figure 9), - Figures 11A to 11D illustrate the different variants of inserts can be housed in first spacer chambers of devices according to the invention,
  • FIGS. 12 to 15 illustrate different variants of injectors intended to be at least partially housed in spacer chambers of devices according to the invention
  • FIG. 16 is a schematic sectional view of a spacer comprising a partition
  • FIGS. 17A to 17C are diagrammatic cross-section views of spacers combined with plates or membranes
  • FIG. 18 is a schematic perspective view of a spacer adapted to the circulation of three fluids
  • - Figure 19 is a schematic perspective view of a variant of the spacer of Figure 18, equipped with an injector
  • - Figure 20 is a schematic perspective view of a spacer comprising a guide defining a fluid circulation path.
  • the device comprises a first thick spacer 1, the side walls of which delimit a first chamber 2, hollowed out so as to allow the circulation of a first fluid.
  • the dimensions of the spacer 1, and in particular its thickness, are chosen according to the characteristics of the first fluid and of the exchanges and / or treatment to be carried out.
  • spacer is meant here either a single block, or a juxtaposition of several blocks or sub-blocks.
  • the word spacer must be understood as an element or set of elements defining a fluid circulation chamber.
  • This type of device can indeed be used to treat fluids by controlling the residence time and / or the reaction time. However, it can also be used to treat fluids having a high viscosity or containing fibers or particles.
  • the first fluid enters the first chamber 2 through an inlet 3 formed in a part (here the "upper" part) of the first spacer 1.
  • This inlet 3 is supplied by a first supply circuit 4 which is, for example, connected to a reservoir of first fluid to be treated.
  • the first spacer 1 also comprises, in another side wall (here in its "lower” part) an outlet 5 connected to the supply circuit 4 to evacuate from the first chamber 2 the first fluid treated therein.
  • the treatment of the first fluid consists of heating, or cooling, using a second fluid which circulates in a second hollowed-out chamber 6, defined by the side walls of a second spacer 7.
  • the thickness of this second spacer 7 is chosen according to the characteristics of the fluid which it must receive.
  • spacers 1 and 7 of substantially identical dimensions are chosen.
  • the second spacer 7 preferably has dimensions substantially identical to those of the first spacer 1, so that they can be easily assembled to each other by suitable securing means, for example by gluing, welding or screwing using tie rods and nuts, possibly with the interposition of a seal.
  • the second spacer 7 also comprises an inlet 8 (here formed 0 in a side wall of its upper part), supplied by a second circuit 9 for supplying a second hot or cold fluid, as well as an outlet 10 (here formed in a side wall of its lower part), connected to said second supply circuit 9 to evacuate the second hot fluid once it has circulated inside the second chamber 6. 5
  • a heat exchange wall constituted by a plate 11 formed in a thermally conductive material.
  • This plate 11 is interposed, sealed, between the first 1 and 0 second 7 spacers.
  • this plate 11 is of metallic type and includes disturbers 15 (shown in FIGS. 8 to 10) intended to promote the heat exchange between the second fluid and the first fluid.
  • disturbers can be the result of a deformation obtained by a pressing technology, for example, and therefore they are part of the plate.
  • they can also be elements added to a substantially flat plate.
  • first 1 and second 7 spacers each have a first side wall 12, 13 open so as to allow the fluids to lick the parallel faces of the plate 11 which closes the first 2 and second 6 chambers.
  • Each spacer 1, 7 further comprises a second closed side wall 13, placed substantially parallel to the first open side wall 1.
  • the first 12 and second 13 side walls of each spacer could be opened, the second side walls 13 of the two spacers then being closed by a plate of the type of plate 11 forming the heat exchange wall.
  • the first 1 and second 7 spacers and the plate 11 interposed between these spacers form a modular block B.
  • several modular blocks B can be associated in the same device, either in parallel (as illustrated), or in series, either in parallel and in series. More specifically, in the example illustrated, three modular blocks B1 to B3 are secured to each other and supplied in parallel by the first 4 and second 9 fluid supply circuits.
  • the blocks could be arranged so as to operate in series, the outputs 5 and 10 of the first block B1 supplying the inputs 3 and 8 of the second block B2, the outputs of the second block B2 supplying the inputs of the third block B3 and the outputs of the third block B3 supplying the first 4 and second 9 circuits.
  • a device of this type could be used to carry out either a mass transfer between the first and second fluids, or a heat exchange and a mass transfer.
  • the heat exchange plate 11 is replaced by a membrane chosen according to the type of exchange desired. It may be, for example, a filtration membrane which allows only a unidirectional passage of a given component from the first fluid to the second, for a separation of components or else a mixture of constituents. Such a membrane can be either interposed between the two spacers 1 and 7, or previously fixed on one of the two spacers.
  • Such an insert can, for example, be formed a cartridge housing a treatment material such as a catalytic foam or a reactive agent. It can also be a turbulence generator, or else an agitator. Furthermore, when several modular blocks Bi are mounted in series and / or in parallel, the successive chambers may have inserts of different types.
  • first or second chambers can also vary from one block to another.
  • the (sub) spacers have first and second open side walls.
  • the spacers which delimit a chamber (first or second) may be different, one having both open and closed side walls, the other having all open side walls. It is also possible to use first 1 and second 7 identical spacers.
  • At least one of the first and / or second spacers may also include injection means (see FIGS. 12 to 15, and 20), such as for example an injector making it possible to introduce into a chosen location of a chamber (of preferably a first chamber 2) a specific product intended, for example, to control a chemical reaction inside said chamber.
  • injection means such as for example an injector making it possible to introduce into a chosen location of a chamber (of preferably a first chamber 2) a specific product intended, for example, to control a chemical reaction inside said chamber.
  • injectors can be provided in the same spacer, so as to inject one or more different fluids in selected locations (see Figure 15).
  • an injector can be used to supply a chemical reaction by reacting at a location chosen according to the type of this reaction.
  • Such injectors are particularly suitable for devices equipped with a cooling circuit for exothermic reactions or a heating circuit for endothermic reactions, such as for example those illustrated in FIGS. 2 to 10.
  • the device in FIG. 1 could also be used, provided that the intermediate plate 11 is of the electrical type (in this case, the two fluids circulating in the spacers 1 and 7 are the same).
  • the device comprises a thick spacer 21, the side walls of which define a first chamber 22, hollowed out so as to allow the circulation of a first fluid.
  • the spacer 21 has an inlet 23 connected to a first circuit 24 for supplying the first fluid and an outlet 25 for discharging the first fluid treated out of the first chamber 22.
  • This first chamber 22 is delimited by first 26 and second 27 substantially parallel side walls. Of course, these side walls could have different inclinations, for example substantially opposite, relative to a vertical direction.
  • the first side wall 26 is shaped so as to define at its external face a second chamber 28 intended to receive a second fluid.
  • the spacer 21 therefore comprises a second inlet 29 connected to a second circuit 30 for supplying second fluid and a second outlet 31 for discharging the second fluid from the second chamber 28.
  • the device is a heat exchanger which comprises only a spacer 21 and a plate intended to cooperate with the external face of the first wall 26 of the spacer 21 to define the second chamber 28 (or in in other words, ensuring a tight sealing of the chamber 28).
  • the end plate 32 can also serve as an input plate for B1, thus allowing complete framing of the second circuit by the first and last channels. Consequently, in this example, the first 25 and second 31 outputs of the first block B1 respectively supply the first 23 and second 29 inputs of the second block B2 and so on, the first 25 and second 31 outputs of the last modular block (here B4 ) being respectively connected to the first 24 and second 30 fluid supply circuits. It is clear that in the example illustrated in FIG. 2, the dimensions of the second chamber 28, and in particular its thickness, are fixed by the arrangement of the external face of the second wall 26 of the spacer 21.
  • the device illustrated in FIG. 3 is a variant of the device illustrated in FIG. 2.
  • the first wall 26 of each thick spacer 21 is closed, while the second wall 27 of this same spacer is open and closed by a plate 32, for example made of metal.
  • the end plate 32 can also serve as an input plate for B1, thus allowing complete framing of the second circuit by the first and last channels.
  • a modular block Bi therefore consists here of a plate 32 and a spacer 21.
  • the blocks Bi can be mounted in series (as illustrated) and or in parallel as in the example in FIG. 1.
  • the device comprises thick spacers 41, of substantially symmetrical constitution, owing to the fact that they comprise first 42 and second 43 side walls which are preferably substantially identical and each delimit by their external face shaped a part at less than a second chamber 46.
  • Each spacer 41 comprises, as in the examples illustrated in FIGS.
  • each spacer 41 may have other inlets and second fluid outlets, insofar as it defines by the external faces of its first 42 and second 43 side walls, two second chambers 46 (at least partially) in which the second fluid can circulate in parallel and preferably in the same meaning.
  • each spacer 41 alone constitutes a modular block Bi.
  • four modular blocks B1 to B4 are connected in series, outputs of one supplying inputs of the other.
  • the blocks could be mounted in parallel.
  • the external face of the first side wall 42 of a first block defines with the external face of the second side wall 43 of the block following a second chamber 46.
  • each external face which is not placed at one end of the device defines a "half" second chamber.
  • the device of FIG. 4 can also be seen as an assembly of modular “on-blocks” of treatment each consisting of two first spacers 41 and of the plate 53.
  • a membrane so as to subdivide into two parts the second chamber delimited by the external faces of the preformed side walls of successive spacers.
  • one can envisage, in particular, an exchange of molecules, atoms or ions between the fluids (for example different gases) which circulate in the two parts of a second chamber.
  • the device illustrated in FIG. 5A is a variant of the device illustrated in FIG. 4.
  • a plate 53 is provided between two thick thick spacers 41 adjacent, with preformed external walls. Consequently, in this embodiment, a modular block Bi is constituted by a spacer 41 and a plate 53.
  • Each spacer 41 thus defines a first chamber 45 and two second chambers 56 which are each closed by a plate 53 which belongs to the block next (or previous), or by an end plate of the device as described above with reference to FIG. 4.
  • a first fluid circulates in the chambers 45, preferably in the same direction, for example from top to bottom, while a second fluid circulates alternately in the second chambers 56, for example from top to bottom, then from bottom to top, then from top to bottom, etc.
  • the device illustrated in FIG. 5B is a variant of the device illustrated in FIG. 5A, in terms of the circulation of fluids.
  • a first fluid circulates in the chambers 45, preferably in the same direction, for example from top to bottom, while a second fluid circulates in a second direction, preferably opposite to the first direction, in the chambers 56 .
  • the device illustrated in FIG. 6A is another variant of the device illustrated in FIG. 5A.
  • the second chambers 56 are delimited by pairs of plates 53, which are placed on either side of the open side walls of thick spacers 61, each defining a first chamber 45 open. Consequently, in this embodiment, a modular block Bi is constituted by a pair of plates 53, a spacer 61 and a plate 53.
  • a first fluid circulates in the chambers 45, preferably in the same direction, for example from top to bottom, while a second fluid circulates alternately in the second chambers 56 , for example from top to bottom, then from bottom to top, then from top to bottom, etc.
  • the device illustrated in FIG. 6B is a variant of the device illustrated in FIG. 6A, in terms of the circulation of fluids.
  • a first fluid circulates in the chambers 45; preferably in the same direction, for example from top to bottom, while a second fluid circulates in a second direction, preferably opposite to the first direction, in the chambers 56.
  • the device always includes a spacer 61 whose side walls define a first hollow chamber 62, but this time, the second chamber 66, in which the second fluid circulates, is defined by two plates 64 and 65, of the type used in traditional plate exchangers. These two plates 64 and 65 can be firmly assembled before being assembled to the spacers 61.
  • a spacer 61 and the two plates 64 and 65, which define a second chamber 66, constitute a modular block Bi.
  • three modular blocks B1 to B3 have been connected in series, but, of course, they could be more numerous, and / or connected in parallel or in series and in parallel.
  • the spacer 61 of the first block B1 has an inlet 67 connected to the first circuit 68 for supplying the first fluid, so as to supply the first chamber 62, and an outlet 69 for discharging the first treated fluid out of the first chamber 62.
  • the plates 64 and 65 which delimit the second chamber 66, have an inlet 70 connected to a second circuit 71 for supplying second fluid to supply said second chamber 66, and an outlet 72 for discharging the second fluid outside the second chamber 66.
  • the spacers 61 have first and second open side walls and intended to be closed by one of the plates 64 or 65 of a previous block, or else by an end plate 73.
  • a plate end, serving as an entry plate, can allow complete framing by first and last channels of the second fluid supply circuit.
  • an end plate 73 can be replaced by two other plates 64 and 65 which define an additional second chamber 66.
  • each thick spacer 61 is constituted by two sub-spacers 61 -a and 61 -b so as to increase the thickness of each first chamber 62 .
  • the device illustrated in FIG. 10 is a variant of that illustrated in FIG. 9, in which first thick spacers 61 are provided, constituted (here) by two sub-spacers 61-a and 61-b so as to increase the thickness of each first chamber 62, alternated with second thick spacers 81, constituted (here) by two sub-spacers 81 -a and 81 -b so as to increase the thickness of each second chamber 82, with the interposition of a plate between each first 61 and second 71 successive spacers.
  • first thick spacers 61 are provided, constituted (here) by two sub-spacers 61-a and 61-b so as to increase the thickness of each first chamber 62, alternated with second thick spacers 81, constituted (here) by two sub-spacers 81 -a and 81 -b so as to increase the thickness of each second chamber 82, with the interposition of a plate between each first 61 and second 71 successive spacers.
  • some chambers formed in spacers can accommodate one or more inserts, and some spacers can be equipped with injectors for the introduction of a specific product intended, for example, to control a chemical reaction inside a room.
  • FIGS. 11A to 11D There are shown in FIGS. 11A to 11D, four exemplary embodiments of inserts.
  • FIGS. 12 to 15 also show examples of spacers fitted with injectors. More specifically, in FIG. 12 is illustrated an injector 100, of conical type, in FIG. 13 is illustrated a vertical injector 101, of cylindrical type, in FIG. 14 is illustrated a horizontal injector 102, of cylindrical type, and in FIG. 15 are illustrated a first upper horizontal injector 102, of cylindrical type and a second intermediate horizontal injector 103. Furthermore, as mentioned previously, in all the examples of device previously described, the sealing between consecutive spacers or between a spacer and a plate can be provided either by a sealing means (peripheral or O-ring, metallic or not, installed on one of the two elements), or by gluing or welding.
  • a sealing means peripheral or O-ring, metallic or not, installed on one of the two elements
  • the different spacers can be made of a polymer type material, for example PEEK (English acronym for PolyEtherEtherKetone).
  • PEEK American acronym for PolyEtherEtherKetone
  • many other materials can be envisaged, such as for example glass, ceramic, or metal (stainless steel, titanium, aluminum, for example).
  • the embodiment of these spacers depends on the material or materials used: machining and / or welding and / or molding and / or forming.
  • the circulation of the fluid inside the device can be either completely alternating (rising / falling / rising / falling ...), which corresponds to a circulation "in series” as indicated previously, either partially alternating (rising then descending or descending then rising), which corresponds to a “parallel / series” type of circulation. More generally, all the combinations of the series and parallel / series modes can be envisaged (the examples illustrated are only nonlimiting examples). It is also possible to envisage dividing a spacer chamber into two parts, as illustrated in FIG. 16, for example by accommodating inside the chamber a partition 110.
  • the spacer may have closed side walls, possibly preformed, or with open side walls, or also have an open side wall and a closed side wall, possibly preformed.
  • each open wall can be closed either by a membrane or by a plate.
  • the partition can be an added piece, or it can be an integral part of the spacer (in this case it is obtained by molding or by machining).
  • the partition may include surface deformations, forming, for example, disturbers and / or guides.
  • the spacers provided with partially open side walls can be produced in two ways.
  • the open side walls are substantially flat (non-conforming) and can be closed by a membrane or a plate.
  • the open side walls are shaped so as to accommodate a plate or a membrane, possibly preformed.
  • the embodiments illustrated in FIGS. 16 and 17 can be combined. It is also possible to use spacers (open or closed) with six supply and collection openings, of the type illustrated in FIG. 18. More precisely, in this embodiment, the two left openings allow the circulation of the second fluid.
  • This type of spacer can also receive one or more injectors, as illustrated in Figure 19.
  • the first chamber can have different conformations. It can in particular be rectangular, circular or oval. But it can also house disturbers, or guides 120 which can define a circulation path for the first fluid, as illustrated in FIG. 20 (here, the guides are an integral part of the spacer which is produced by molding or machining) , but it could be one or more patches).
  • the devices according to the invention be of the one-piece type, and assembled using tie rods at the ends of which are screwed nuts.
  • tie rods at the ends of which are screwed nuts.
  • fluids comprising particles.
  • many other fluids, or mixtures of fluids of all kinds are concerned with the invention, and in particular in the (agro) food, chemical and metallurgical.
  • the invention makes it possible to continuously monitor a chemical reaction by heat exchange as well as by injection of one or more reactants.
  • the fluids can be in liquid, gaseous, solid / liquid or liquid / gaseous form.
  • the invention also applies to desorption and absorption, these operations can be carried out independently of the other treatment operations mentioned above, or else in addition to these.

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Abstract

Un dispositif d'échange et/ou de réaction entre au moins deux fluides comprend au moins une première entretoise (1), d'une épaisseur choisie et comportant des parois latérales définissant une première chambre (2) munie d'une partie centrale au moins partiellement évidée pour la circulation d'un premier fluide, et au moins une seconde chambre (6) pour la circulation d'un second fluide, les première (2) et seconde (6) chambres étant séparées par une première paroi d'échange (11) propre à assurer un échange et/ou une réaction entre fluides, de type thermique et/ou par transfert de masse.

Description

DISPOSITIF PERFECTIONNE D'ECHANGE ET/OU DE REACTION ENTRE FLUIDES
L'invention concerne le domaine de l'échange et/ou de la réaction entre fluides, qu'il s'agisse d'échange de calories ou de frigories, par exemple par chauffage ou refroidissement, ou d'échange de constituants, par exemple par filtrage ou séparation ou absorption ou désorption, ou d'injection de produit(s), ou d'une réaction chimique.
De nombreux dispositifs et de nombreuses installations ont été proposés pour assurer les échanges (ou traitements) précités. La plupart d'entre eux, qu'ils fonctionnent en mode continu ou discontinu, sont conçus de manière à effectuer une unique fonction de façon satisfaisante, sans possibilité d'effectuer d'autres fonctions. Dans un réacteur fonctionnant en mode discontinu (par exemple de type « batch »), il est habituellement difficile de chauffer ou refroidir des réactifs à un niveau de contrôle choisi, même si ce type de réacteur dispose d'un système de double enveloppe ou bien d'éléments serpentins. Parmi les échangeurs fonctionnant en mode continu, on connaît, notamment, les échangeurs de chaleur des types dits « à plaques » et « à tubes et calandres ». Dans les échangeurs à plaques, seuls des fluides non chargés, ou très faiblement chargés, peuvent être traités, du fait de l'espacement réduit entre plaques. Par ailleurs, ils permettent une maintenance relativement aisée, du fait de leur démontabilité, mais le volume défini entre les plaques est réduit et dépendant du mode de fabrication des plaques. Dans les échangeurs à tubes et calandres, il est possible de traiter des fluides chargés en jouant sur les diamètres des tubes, mais la maintenance liée notamment à l'encrassement est difficile. De plus, la présence de tubes rend ces échangeurs relativement encombrants, ce qui limite leurs applications.
En outre, ces deux types d' échangeurs ne sont pas adaptés aux autres types de traitements, tels que la filtration ou la séparation. Pour ces types de traitements (ou échanges) non spécifiquement thermiques, il existe de nombreuses installations, mais elles sont complexes, encombrantes et difficilement adaptables à des traitements différents de ceux pour lesquels elles ont été conçues. L'invention a pour but d'apporter une solution différente de celles connues.
Elle propose à cet effet un dispositif d'échange entre au moins deux fluides, dans lequel on prévoit, d'une part, au moins une première chambre « épaisse », définie par les parois latérales d'une première entretoise évidée de manière à permettre la circulation d'un premier fluide, et d'autre part, au moins une seconde chambre « mince » ou épaisse pour la circulation d'un second fluide, les première et seconde chambres étant séparées par une première paroi d'échange permettant un échange et/ou une réaction, thermique et/ou par transfert de masse, entre les fluides circulant dans les première et seconde chambres adjacentes.
Le volume et la configuration de la chambre délimitée par l'entretoise sont variables. Par conséquent l'entretoise peut être complètement ou partiellement évidée, ou définir au moins deux sous- chambres indépendantes. Dans ce dernier cas, les sous-chambres peuvent être définies par usinage ou moulage.
De la sorte, on constitue un échangeur et/ou un réacteur capable de traiter un fluide dans un encombrement réduit, tout en offrant les avantages présentés par les échangeurs à plaques. De plus, selon le type de paroi d'échange utilisé entre les première et seconde chambres (plaque ou membrane), le traitement peut être soit thermique, soit « physique » (filtration ou séparation de constituants), soit simultanément thermique et physique. Le traitement peut être en outre chimique si l'on place dans la première chambre un matériau réactif, ou un mélange de matériaux, ou si l'on y introduit un agent réactif, tel qu'un catalyseur. Les éléments comportant ces matériaux peuvent être fixés sur une paroi latérale, ou être suspendu entre deux plaques rapportées (ou empilées), ou être rapportés dans le volume de la chambre de l'entretoise. Des buses d'injection peuvent être envisagées pour permettre l'injection de d'un ou plusieurs produits réactifs dans une zone choisie de la chambre. L'invention peut être utilisée pour des réactions endothermiques ou exothermiques.
De nombreux modes de réalisation peuvent être envisagés pour le dispositif selon l'invention, et notamment :
* la première entretoise peut comporter une première paroi latérale fermée, formant la première paroi d'échange et présentant une face externe agencée pour coopérer avec une plaque, ou une première ou seconde paroi fermée d'une entretoise d'un autre bloc, de manière à définir la seconde chambre. Dans ce cas, la première entretoise et la plaque rapportée (ou la première entretoise seulement) définissent un bloc modulaire de traitement, et plusieurs blocs peuvent être montés en série et/ou en parallèle, dès lors que leur première entretoise comporte une seconde paroi latérale, parallèle (ou inclinée par rapport) à la première paroi latérale fermée, et ouverte de manière à être obturée par la plaque d'un autre bloc (ou bien fermée pour définir une seconde chambre avec la première paroi du bloc suivant). La plaque rapportée peut être encastrée, légèrement, dans l'entretoise ou placée contre celle-ci (en y étant éventuellement rattachée). En variante, on prévoit une autre première entretoise dont la face externe de la première paroi d'échange est destinée à être obturée à étanchéité par la plaque du bloc modulaire pour définir une autre seconde chambre, les deux premières entretoises et la plaque définissant ainsi un sur-bloc modulaire de traitement ;
* la première entretoise peut comporter une première paroi latérale ouverte, et on prévoit au moins une première et une seconde plaques définissant conjointement la seconde chambre (soit par soudage ou brasage, soit par empilement avec interposition d'un joint d' étanchéité), la première plaque étant en outre destinée à obturer la première paroi latérale ouverte en formant la première paroi d'échange. Dans ce cas, la première entretoise et les première et seconde plaques définissent un bloc modulaire de traitement, et plusieurs blocs modulaires peuvent être montés en série et/ou en parallèle dès lors que leur première entretoise comporte une seconde paroi latérale ouverte, placée en regard d'une première paroi latérale ouverte, et destinée à être obturée à étanchéité par la seconde plaque d'un autre bloc ; * on peut prévoir une seconde entretoise épaisse comprenant des parois latérales définissant une seconde chambre évidée de manière à permettre la circulation du second fluide, les première et seconde entretoises présentant respectivement des premières parois latérales ouvertes destinées à être placées l'une en face de l'autre avec interposition d'une membrane de séparation ou d'une plaque formant la première paroi d'échange. Dans ce cas, les première et seconde entretoises et la membrane définissent un bloc modulaire de traitement, et plusieurs blocs modulaires peuvent être montés en série ou en parallèle dès lors que leur première entretoise comporte une seconde paroi latérale soit ouverte et destinée à être placée en regard d'une seconde paroi latérale ouverte d'un autre bloc avec interposition d'une autre membrane ou d'une plaque étanche, soit fermée et destinée à être placée en regard d'une seconde paroi latérale fermée d'un autre bloc ; * on peut également prévoir i) des blocs constitués d'une première entretoise, comportant deux faces latérales ouvertes, et d'une seconde entretoise comportant une face latérale fermée et une face latérale ouverte, avec éventuellement interposition d'une membrane d'échange entre les deux entretoises, ou ii) des blocs constitués de première et seconde entretoises, comportant chacune deux faces latérales ouvertes, et de deux plaques encadrant les deux entretoises juxtaposées, avec éventuellement interposition d'une membrane d'échange entre les deux entretoises, ou iii) des blocs constitués de première et seconde entretoises, comportant chacune deux faces latérales ouvertes, avec éventuellement interposition d'une membrane d'échange entre les deux entretoises, et de deux groupes de deux plaques encadrant les deux entretoises juxtaposées de manière à définir un canal de circulation de fluide entre deux blocs.
Dans chaque mode de réalisation intégrant une entretoise muni d'une paroi latérale fermée, cette dernière peut être formée par usinage (ou évidement) ou par solidarisation à une plaque rapportée, de même nature que l'entretoise ou d'une nature différente. La solidarisation peut être définitive (soudage, brasage ou collage) ou non définitive (empilement avec interposition d'un joint d'étanchéité).
Selon une autre caractéristique de l'invention, certaines au moins des plaques formant une paroi d'échange sont équipées de perturbateurs de fluide, de manière à favoriser les échanges thermiques entre premier et second fluides. Les perturbateurs peuvent être formés en surface des plaques, par exemple par emboutissage, ou bien solidarisés à la surface des plaques. En variante, les perturbateurs peuvent être logés dans les chambres. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'une au moins des entretoises peut loger des moyens d'injection de fluide, tels qu'un injecteur permettant d'introduire un troisième fluide à l'intérieur de la chambre de cette entretoise. On peut également prévoir plusieurs injecteurs destinés à l'introduction de fluide(s) ou produit(s) en des endroits choisis, différents, d'une entretoise.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'une au moins des entretoises peut loger un élément statique de mélange, rapporté, comme par exemple un vortex, ou une mousse métallique, ou une mouse ou un revêtement catalytique, ou encore un générateur de turbulence ou un agitateur, comme par exemple des ailettes de type « Offset strip fins ». Mais, une entretoise pourra également loger plusieurs éléments du type de ceux précités, y compris des éléments assurant des fonctions différentes. Ce ou ces éléments pourront être logés dans un, ou réalisés sous la forme d'un, insert de type cartouche. La circulation du fluide à l'intérieur d'une chambre peut être soit sensiblement parallèle aux plaques de fermeture (ou faces latérales), et en une seule passe, soit non linéaire du fait qu'il suit un chemin d'écoulement, par exemple en escalier, destiné à augmenter son temps de présence à l'intérieur de la chambre, par exemple. Un tel chemin peut être défini par des cellules rapportées logées dans la chambre. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'une au moins des entretoises peut être constituée par assemblage (ou juxtaposition) d'au moins deux sous-entretoises, éventuellement de dimensions différentes. Le volume de la chambre ainsi délimitée est choisi en fonction, notamment, des paramètres de l'écoulement : charge, viscosité, temps de séjour et analogue. L'invention concerne de nombreuses applications, et notamment dans le domaine du traitement thermique et/ou chimique d'un premier liquide ou fluide, notamment alimentaire ou chimique, ou le domaine de la séparation ou du mélange de composants d'un premier fluide complexe, par exemple par filtration. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un quatrième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 5A et 5B sont des vues en coupe schématiques de deux variantes d'un cinquième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 6A et 6B sont des vues en coupe schématiques de deux variantes d'un sixième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 7 est une vue en coupe schématique d'un septième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 8 est une vue en perspective éclatée d'un dispositif du type de celui illustré sur la figure 7,
- la figure 9 est une variante du dispositif illustré sur la figure 8,
- la figure 10 est une vue en perspective éclatée d'un huitième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, (variante du dispositif illustré sur la figure 9), - les figures 11A à 11D illustrent les différentes variantes d'inserts pouvant être iogés dans des premières chambres d'entretoises de dispositifs selon l'invention,
- les figures 12 à 15 illustrent différentes variantes d'injecteurs destinés à être au moins partiellement logés dans des chambres d'entretoises de dispositifs selon l'invention,
- la figure 16 est une vue en coupe, schématique, d'une entretoise comportant une cloison,
- les figures 17A à 17C sont des vues en coupe transversale, schématiques, d'entretoises combinées à des plaques ou membranes,
- la figure 18 est une vue en perspective, schématique, d'une entretoise adaptée à la circulation de trois fluides,
- la figure 19 est une vue en perspective, schématique, d'une variante de l'entretoise de la figure 18, équipée d'un injecteur, et - la figure 20 est une vue en perspective, schématique, d'une entretoise comportant un guide définissant un chemin de circulation de fluide.
Les dessins annexés sont, pour l'essentiel, de caractère certain. En conséquence, ils pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. Dans la description qui suit, il sera fait référence à un dispositif de traitement de fluide avec particules. Bien entendu, il ne s'agit que d'une application parmi de nombreuses autres, nullement limitative.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour décrire un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Dans ce premier exemple, le dispositif comporte une première entretoise 1 , épaisse, dont les parois latérales délimitent une première chambre 2, évidée de manière à permettre la circulation d'un premier fluide. Les dimensions de l'entretoise 1 , et notamment son épaisseur, sont choisies en fonction des caractéristiques du premier fluide et des échanges et/ou traitement à effectuer. On entend ici par entretoise soit un bloc seul, soit une juxtaposition de plusieurs blocs ou sous- blocs. En d'autres termes, le mot entretoise doit être compris comme un élément ou ensemble d'éléments définissant une chambre de circulation de fluide. Ce type de dispositif peut en effet être utilisé pour traiter des fluides par contrôle du temps de séjour et/ou du temps de réaction. Mais, il peut être également utilisé pour traiter des fluides présentant une forte viscosité ou contenant des fibres ou des particules.
Dans l'exemple illustré, le premier fluide pénètre dans la première chambre 2 par une entrée 3 formée dans une partie (ici la partie « supérieure ») de la première entretoise 1. Cette entrée 3 est alimentée par un premier circuit d'alimentation 4 qui est, par exemple, relié à un réservoir de premier fluide à traiter.
La première entretoise 1 comporte, par ailleurs, dans une autre paroi latérale (ici dans sa partie « inférieure ») une sortie 5 raccordée au circuit d'alimentation 4 pour évacuer de la première chambre 2 le premier fluide traité dans celle-ci.
Dans l'exemple illustré sur la figure 1 , le traitement du premier fluide consiste en un réchauffement, ou un refroidissement, à l'aide d'un second fluide qui circule dans une seconde chambre évidée 6, définie par les parois latérales d'une seconde entretoise 7. L'épaisseur de cette seconde entretoise 7 est choisie en fonction des caractéristiques du fluide qu'elle doit recevoir. Ainsi, préférentiellement, si les deux fluides sont identiques, on choisit des entretoises 1 et 7 de dimensions sensiblement identiques. La seconde entretoise 7 présente, de préférence, des dimensions sensiblement s identiques à celles de la première entretoise 1 , de sorte qu'elles puissent être facilement assemblées l'une à l'autre par des moyens de solidarisation appropriés, par exemple par collage, soudage ou vissage à l'aide de tirants et d'écrous, éventuellement avec interposition d'un joint d'étanchéité.
La seconde entretoise 7 comporte en outre une entrée 8 (ici formée 0 dans une paroi latérale de sa partie supérieure), alimentée par un second circuit 9 d'alimentation en second fluide chaud ou froid, ainsi qu'une sortie 10 (ici formée dans une paroi latérale de sa partie inférieure), raccordée audit second circuit d'alimentation 9 pour évacuer le second fluide chaud une fois qu'il a circulé à l'intérieur de la seconde chambre 6. 5 Dans l'exemple illustré sur la figure 1 , l'échange de calories ou frigories entre le second fluide chaud et le premier fluide s'effectue via une paroi d'échange thermique constituée par une plaque 11 formée dans un matériau conducteur thermiquement.
Cette plaque 11 est interposée, à étanchéité, entre les première 1 et 0 seconde 7 entretoises. Préférentiellement, cette plaque 11 est de type métallique et comporte des perturbateurs 15 (représentés sur les figures 8 à 10) destinés à favoriser l'échange thermique entre le second fluide et le premier fluide. Ces perturbateurs peuvent être le résultat d'une déformation obtenue par une technologie de pressage, par exemple, et de ce fait ils font partie de la plaque. Mais, ils peut également s'agir d'éléments rapportés sur une plaque sensiblement plane.
De plus, et comme illustré, les première 1 et seconde 7 entretoises comportent chacune une première paroi latérale 12, 13 ouverte de manière à permettre aux fluides de lécher les faces parallèles de la plaque 11 qui obture les première 2 et seconde 6 chambres. Chaque entretoise 1, 7 comporte en outre une seconde paroi latérale fermée 13, placée sensiblement parallèlement à la première paroi latérale ouverte 1. En variante, les première 12 et seconde 13 parois latérales de chaque entretoise pourraient être ouvertes, les secondes parois latérales 13 des deux entretoises étant alors obturées par une plaque du type de la plaque 11 formant la paroi d'échange thermique.
Les première 1 et seconde 7 entretoises et la plaque 11 interposée entre ces entretoises forment un bloc modulaire B. Comme illustré sur la figure 1 , plusieurs blocs modulaires B peuvent être associés dans un même dispositif, soit en parallèle (comme illustré), soit en série, soit en parallèle et en série. Plus précisément, dans l'exemple illustré, trois blocs modulaires B1 à B3 sont solidarisés les uns aux autres et alimentés en parallèle par les premier 4 et second 9 circuits d'alimentation en fluide. Bien entendu, dans une variante, les blocs pourraient être agencés de manière à fonctionner en série, les sorties 5 et 10 du premier bloc B1 alimentant les entrées 3 et 8 du second bloc B2, les sorties du second bloc B2 alimentant les entrées du troisième bloc B3 et les sorties du troisième bloc B3 alimentant les premier 4 et second 9 circuits.
Par ailleurs, un dispositif de ce type pourrait être utilisé pour effectuer soit un transfert de masse entre les premier et second fluides, soit un échange thermique et un transfert de masse. A cet effet, on remplace la plaque d'échange thermique 11 par une membrane choisie en fonction du type d'échange souhaité. Il peut s'agir, par exemple, d'une membrane de filtration qui n'autorise qu'un passage unidirectionnel d'un constituant donné du premier fluide vers le second, en vue d'une séparation de constituants ou bien d'un mélange de constituants. Une telle membrane peut être soit intercalée entre les deux entretoises 1 et 7, soit préalablement fixée sur l'une des deux entretoises.
Par ailleurs, on peut également prévoir à l'intérieur de l'une des premières 2 et secondes 6 chambres un élément rapporté (ou insert) 14
(matérialisé en pointillés). Un tel insert peut, par exemple, être constitué d'une cartouche logeant un matériau de traitement tel qu'une mousse catalytique ou un agent réactif. Il peut également s'agir d'un générateur de turbulences, ou bien d'un agitateur. Par ailleurs, lorsque plusieurs blocs modulaires Bi sont montés en série et/ou en parallèle, les chambres successives peuvent posséder des inserts de types différents.
Comme cela est illustré sur les figures 9 et 10, il est possible d'utiliser plusieurs (sous-)entretoises juxtaposées pour définir une même chambre. L'épaisseur des premières ou secondes chambres peut également varier d'un bloc à l'autre. Bien entendu, il est alors obligatoire que les (sous)entretoises présentent des première et seconde parois latérales ouvertes. En variante, les entretoises qui délimitent une chambre (première ou seconde) peuvent être différentes, l'une présentant à la fois des parois latérales ouvertes et fermées, l'autre présentant des parois latérales toutes ouvertes. II est également possible d'utiliser des premières 1 et secondes 7 entretoises identiques.
L'une au moins des premières et/ou secondes entretoises peut également comporter des moyens d'injection (voir figures 12 à 15, et 20), comme par exemple un injecteur permettant d'introduire en un endroit choisi d'une chambre (de préférence d'une première chambre 2) un produit spécifique destiné, par exemple, à contrôler une réaction chimique à l'intérieur de ladite chambre. Plusieurs injecteurs peuvent être prévus dans une même entretoise, de manière à injecter un ou plusieurs fluides différents en des endroits choisis (voir figure 15). Par exemple, un injecteur peut être utilisé pour alimenter en réactant une réaction chimique en un endroit choisi en fonction du type de cette réaction.
De tels injecteurs sont particulièrement adaptés aux dispositifs équipés d'un circuit de refroidissement pour des réactions exothermiques ou d'un circuit de chauffage pour des réactions endothermiques, comme par exemple ceux illustrés sur les figures 2 à 10. Le dispositif de la figure 1 pourrait également être utilisé, sous réserve que la plaque 11 intermédiaire soit de type électrique (dans ce cas, les deux fluides circulant dans les entretoises 1 et 7 sont les mêmes).
On se réfère maintenant à la figure 2 pour décrire un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Dans cet exemple, le dispositif comporte une entretoise épaisse 21 dont les parois latérales définissent une première chambre 22, évidée de manière à permettre la circulation d'un premier fluide. Comme dans l'exemple précédent, l'entretoise 21 comporte une entrée 23 raccordée à un premier circuit 24 d'alimentation en premier fluide et une sortie 25 pour l'évacuation du premier fluide traité hors de la première chambre 22.
Cette première chambre 22 est délimitée par des première 26 et seconde 27 parois latérales sensiblement parallèles. Bien entendu, ces parois latérales pourraient présenter des inclinaisons différentes, par exemple sensiblement opposées, relativement à une direction verticale. La première paroi latérale 26 est conformée de manière à définir au niveau de sa face externe une seconde chambre 28 destinée à recevoir un second fluide. L'entretoise 21 comporte, par conséquent, une seconde entrée 29 raccordée à un second circuit 30 d'alimentation en second fluide et une seconde sortie 31 pour l'évacuation du second fluide hors de la seconde chambre 28.
Dans la configuration la plus simple, le dispositif est un échangeur thermique qui ne comporte qu'une entretoise 21 et une plaque destinée à coopérer avec la face externe de la première paroi 26 de l'entretoise 21 pour définir la seconde chambre 28 (ou en d'autres termes, assurer une obturation à étanchéité de la chambre 28). L'exemple qui se trouve illustré sur la figure 2 est plus sophistiqué dans la mesure où il propose un dispositif comportant quatre blocs modulaires B1 à B4 montés en série, chaque bloc modulaire Bi (i=1 à 4) étant constitué d'une entretoise 21 , la seconde paroi fermée 27 d'une entretoise 21 obturant la seconde chambre 28 du bloc précédent, et la seconde chambre 28 du dernier bloc (ici B4) étant obturée par une plaque terminale 32. Dans une variante « en boucle », la plaque terminale 32 peut également servir de plaque d'entrée à B1 , permettant ainsi un encadrement complet du deuxième circuit par les premiers et derniers canaux. En conséquence, dans cet exemple, les première 25 et seconde 31 sorties du premier bloc B1 alimentent respectivement les première 23 et seconde 29 entrées du second bloc B2 et ainsi de suite, les première 25 et seconde 31 sorties du dernier bloc modulaire (ici B4) étant respectivement raccordées aux premier 24 et second 30 circuits d'alimentation en fluide. II est clair que dans l'exemple illustré sur la figure 2, les dimensions de la seconde chambre 28, et notamment son épaisseur, sont fixées par l'agencement de la face externe de la second paroi 26 de l'entretoise 21.
Une distribution parallèle de type co-courant ou contre-courant peut être envisagée. Le dispositif illustré sur la figure 3 est une variante du dispositif illustré sur la figure 2. Dans cette variante, la première paroi 26 de chaque entretoise épaisse 21 est fermée, tandis que la seconde paroi 27 de cette même entretoise est ouverte et obturée par une plaque 32, par exemple en métal. Dans une variante « en boucle », la plaque terminale 32 peut également servir de plaque d'entrée à B1 , permettant ainsi un encadrement complet du deuxième circuit par les premiers et derniers canaux.
Un bloc modulaire Bi est donc ici constitué d'une plaque 32 et d'une entretoise 21. Les blocs Bi peuvent être montés en série (comme illustré) et ou en parallèle comme dans l'exemple de la figure 1. Dans l'exemple illustré sur la figure 4, le dispositif comporte des entretoises épaisses 41 , de constitution sensiblement symétrique, du fait qu'elles comportent des première 42 et seconde 43 parois latérales qui sont de préférence sensiblement identiques et délimitent chacune par leur face externe conformée une partie au moins d'une seconde chambre 46. Chaque entretoise 41 comporte, comme dans les exemples illustrés sur les figures 2 et 3, i) une première entrée 47 raccordée à un premier circuit 48 d'alimentation en premier fluide pour alimenter une première chambre 45, ii) une seconde entrée 49 raccordée à un second circuit 50 d'alimentation en second fluide, iii) une première sortie 51 pour l'évacuation du premier fluide hors de la première chambre 45, et iv) une seconde sortie 52 pour l'évacuation du second fluide hors de la seconde chambre 46. En fait, chaque entretoise 41 peut posséder d'autres entrées et sorties de second fluide, dans la mesure où elle définit par les faces externes de ses première 42 et seconde 43 parois latérales, deux secondes chambres 46 (au moins partiellement) dans lesquelles le second fluide peut circuler de façon parallèle et préférentiellement dans le même sens.
Dans cet exemple, chaque entretoise 41 constitue à elle seule un bloc modulaire Bi. Ici, quatre blocs modulaires B1 à B4 sont montés en série, des sorties de l'un alimentant des entrées de l'autre. Mais, en variante, les blocs pourraient être montés en parallèle.
La face externe de la première paroi latérale 42 d'un premier bloc définit avec la face externe de la seconde paroi latérale 43 du bloc suivant une seconde chambre 46. En d'autres termes, chaque face externe, qui ne se trouve pas placée à une extrémité du dispositif, définit une « demie » seconde chambre. Les secondes chambres 46 définies par les seconde 43 et première 44 parois latérales des entretoises 41 , placées aux deux extrémités opposées du dispositif (en fait, B1 et B4), sont chacune obturées par une plaque 53, si bien que les deux secondes chambres 46 qu'elles définissent conjointement aux extrémités du dispositif présentent des volumes environ deux fois moins importants que ceux des autres secondes chambres 46 « intermédiaires ».
Le dispositif de la figure 4 peut être également vu comme un assemblage de « sur-blocs » modulaires de traitement constitués chacun de deux premières entretoises 41 et de la plaque 53. Dans une variante du dispositif de la figure 4, on peut intercaler entre deux entretoises 41 une membrane, de manière à subdiviser en deux parties la seconde chambre délimitée par les faces externes des parois latérales préformées d'entretoises successives. Ainsi, on peut envisager, notamment, un échange de molécules, d'atomes ou d'ions entre les fluides (par exemple des gaz différents) qui circulent dans les deux parties d'une seconde chambre.
Le dispositif illustré sur la figure 5A est une variante du dispositif illustré sur la figure 4. Ici, on prévoit une plaque 53 entre deux entretoises épaisses 41 adjacentes, à parois externes préformées. Par conséquent, dans ce mode de réalisation, un bloc modulaire Bi est constitué par une entretoise 41 et une plaque 53. Chaque entretoise 41 définit ainsi une première chambre 45 et deux secondes chambres 56 qui sont chacune obturées par une plaque 53 qui appartient au bloc suivant (ou précédent), ou par une plaque d'extrémité du dispositif comme décrit précédemment en référence à la figure 4. Dans cet exemple, un premier fluide circule dans les chambres 45, de préférence selon un même sens, par exemple de haut en bas, tandis qu'un second fluide circule de façon alternée dans les secondes chambres 56, par exemple de haut en bas, puis de bas en haut, puis de haut en bas, etc. Le dispositif illustré sur la figure 5B est une variante du dispositif illustré sur la figure 5A, sur le plan de la circulation des fluides. Dans cet exemple, un premier fluide circule dans les chambres 45, de préférence selon un même sens, par exemple de haut en bas, tandis qu'un second fluide circule dans un second sens, de préférence opposé au premier sens, dans les chambres 56.
Le dispositif illustré sur la figure 6A est une autre variante du dispositif illustré sur la figure 5A. Ici, les secondes chambres 56 sont délimitées par des couples de plaques 53, que l'on place de part et d'autre des parois latérales ouvertes d'entretoises épaisses 61 , définissant chacune une première chambre 45 ouverte. Par conséquent, dans ce mode de réalisation, un bloc modulaire Bi est constitué par un couple de plaques 53, une entretoise 61 et une plaque 53. Dans cet exemple, un premier fluide circule dans les chambres 45, de préférence selon un même sens, par exemple de haut en bas, tandis qu'un second fluide circule de façon alternée dans les secondes chambres 56, par exemple de haut en bas, puis de bas en haut, puis de haut en bas, etc.
Le dispositif illustré sur la figure 6B est une variante du dispositif illustré sur la figure 6A, sur le plan de la circulation des fluides. Dans cet exemple, un premier fluide circule dans les chambres 45; de préférence selon un même sens, par exemple de haut en bas, tandis qu'un second fluide circule dans un second sens, de préférence opposé au premier sens, dans les chambres 56.
Dans l'exemple illustré sur les figures 7 à 9, le dispositif comporte toujours une entretoise 61 dont les parois latérales définissent une première chambre 62 évidée, mais cette fois, la seconde chambre 66, dans laquelle circule le second fluide, est définie par deux plaques 64 et 65, du type de celles utilisées dans les échangeurs à plaques traditionnels. Ces deux plaques 64 et 65 peuvent être fermement assemblées avant d'être assemblées aux entretoises 61.
Dans cet exemple, une entretoise 61 et les deux plaques 64 et 65, qui définissent une seconde chambre 66, constituent un bloc modulaire Bi. Ici, trois blocs modulaires B1 à B3 ont été montés en série, mais, bien entendu, ils pourraient être plus nombreux, et/ou montés en parallèle ou en série et en parallèle.
L'entretoise 61 du premier bloc B1 comporte une entrée 67 raccordée au premier circuit 68 d'alimentation en premier fluide, de manière à alimenter la première chambre 62, et une sortie 69 pour évacuer le premier fluide traité hors de la première chambre 62. De même, les plaques 64 et 65, qui délimitent la seconde chambre 66, comportent une entrée 70 raccordée à un second circuit 71 d'alimentation en second fluide pour alimenter ladite seconde chambre 66, et une sortie 72 pour l'évacuation du second fluide hors de la seconde chambre 66.
Bien entendu, dans cet exemple, les entretoises 61 présentent des première et seconde parois latérales ouvertes et destinées à être obturées par l'une des plaques 64 ou 65 d'un bloc précédent, ou bien par une plaque d'extrémité 73. Une plaque d'extrémité, servant de plaque d'entrée, peut permettre un encadrement complet par des premier et dernier canaux du second circuit d'alimentation en fluide.
En variante, comme illustré sur les figures 8 et 9, une plaque d'extrémité 73 peut être remplacée par deux autres plaques 64 et 65 qui définissent une seconde chambre 66 supplémentaire.
Dans les exemples illustrés sur les figures 1 à 7, les entrées et les sorties ont été matérialisées par des flèches permettant de faciliter la compréhension des sens de circulation des différents fluides. Bien entendu, et comme illustré sur les figures 8 à 10, les différentes entrées et sorties peuvent être avantageusement intégrées dans les entretoises et dans les plaques, comme cela est bien connu de l'homme du métier.
Le dispositif illustré sur la figure 9 est une variante de celui illustré sur la figure 8, dans laquelle chaque entretoise épaisse 61 est constituée par deux sous-entretoises 61 -a et 61 -b de manière à augmenter l'épaisseur de chaque première chambre 62.
Le dispositif illustré sur la figure 10 est une variante de celui illustré sur la figure 9, dans laquelle on prévoit des premières entretoises épaisses 61 , constituées (ici) par deux sous-entretoises 61-a et 61-b de manière à augmenter l'épaisseur de chaque première chambre 62, alternées avec des secondes entretoises épaisses 81 , constituées (ici) par deux sous- entretoises 81 -a et 81 -b de manière à augmenter l'épaisseur de chaque seconde chambre 82, avec interposition d'une plaque entre chaque première 61 et seconde 71 entretoises successives.
Tout ce qui a été indiqué dans la description relative au premier exemple de dispositif illustré sur la figure 1 , s'applique également aux autres lu
exemples de réalisation illustrés sur les figures 2 à 10. Notamment, certaines chambres formées dans des entretoises peuvent loger un ou plusieurs inserts, et certaines entretoises peuvent être équipées d' injecteurs pour l'introduction d'un produit spécifique destiné, par exemple, à contrôler une réaction chimique à l'intérieur d'une chambre.
On a représenté sur les figures 11A à 11D, quatre exemples de réalisation d' inserts.
On a également représenté sur les figures 12 à 15 des exemples d'entretoises équipées d'injecteurs. Plus précisément, sur la figure 12 se trouve illustré un injecteur 100, de type conique, sur la figure 13 se trouve illustré un injecteur vertical 101 , de type cylindrique, sur la figure 14 se trouve illustré un injecteur horizontal 102, de type cylindrique, et sur la figure 15 se trouvent illustrés un premier injecteur horizontal supérieur 102, de type cylindrique et un second injecteur horizontal intermédiaire 103. Par ailleurs, comme mentionné précédemment, dans tous les exemples de dispositif précédemment décrits, l'étanchéité entre des entretoises consécutives ou entre une entretoise et une plaque peut être assurée soit par un moyen d'étanchéité (joint plat périphérique ou torique, métallique ou non, implanté sur l'un des deux éléments), soit par un collage ou une soudure.
En outre, les différentes entretoises peuvent être réalisées dans un matériau de type polymère, par exemple en PEEK (acronyme anglais pour PolyEtherEtherKetone). Mais de nombreux autres matériaux peuvent être envisagés, comme par exemple le verre, la céramique, ou le métal (inox, titane, aluminium, par exemple). Le mode de réalisation de ces entretoises dépend du ou des matériaux utilisés : usinage et/ou soudage et/ou moulage et/ou formage.
De plus, la circulation du fluide à l'intérieur du dispositif peut être soit totalement alternée (montante/descendante/montante/descendante...), ce qui correspond à une circulation « en série » comme indiqué précédemment, soit partiellement alternée (montante puis descendante ou descendante puis montante), ce qui correspond à une circulation de type « parallèle/série ». Plus généralement, toutes les combinaisons des modes série et parallèle/série peuvent être envisagées (les exemples illustrés ne sont que des exemples non limitatifs). On peut également envisager de subdiviser une chambre d' entretoise en deux parties, comme illustré sur la figure 16, par exemple en logeant à l'intérieur de la chambre une cloison 110. L'entretoise peut être à parois latérales fermées, éventuellement préformées, ou à parois latérales ouvertes, ou encore présenter une paroi latérale ouverte et une paroi latérale fermée, éventuellement préformée. Bien entendu, dans ce cas, chaque paroi ouverte peut être obturée soit par une membrane, soit par une plaque. La cloison peut être une pièce rapportée, ou bien faire partie intégrante de l'entretoise (dans ce cas elle est obtenue par moulage ou par usinage). Par ailleurs, la cloison peut comporter des déformations de surface, formant, par exemple, des perturbateurs et/ou des guides.
Comme cela a été décrit précédemment, et comme illustré sur les figures 17A à 17D, les entretoises munies de parois latérales partiellement ouvertes peuvent être réalisées de deux façons. Dans un premier mode de réalisation (voir figure 17A), les parois latérales ouvertes sont sensiblement planes (non conformées) et peuvent être obturées par une membrane ou une plaque. Dans un second mode de réalisation (voir figures 17B et 17C), les parois latérales ouvertes sont conformées de manière à loger une plaque ou une membrane, éventuellement préformée. Les modes de réalisation illustrés sur les figures 16 et 17 peuvent être combinés. On peut également utiliser des entretoises (ouvertes ou fermées) à six ouvertures d'alimentation et de collection, du type de celle illustrée sur la figure 18. Plus précisément, dans ce mode de réalisation les deux ouvertures de gauche permettent la circulation du second fluide entre des secondes chambres, les deux ouvertures de droite permettent la circulation d'un troisième fluide entre des secondes chambres, et les deux ouvertures centrales servent à l'alimentation de la première chambre en premier fluide ainsi qu'à la collection de ce premier fluide. Ce type d'entretoise peut également recevoir un ou plusieurs injecteurs, comme illustré sur la figure 19.
Comme cela a été indiqué précédemment, la première chambre peut présenter différentes conformations. Elle peut notamment être de forme rectangulaire, circulaire ou ovale. Mais elle peut également loger des perturbateurs, ou des guides 120 qui peuvent définir un chemin de circulation pour le premier fluide, comme illustré sur la figure 20 (ici, les guides font partie intégrante de l'entretoise qui est réalisée par moulage ou usinage), mais il pourrait s'agir d'une ou plusieurs pièces rapportées).
Enfin, pour des questions de maintenance, il est préférable que les dispositifs selon l'invention soient de type monobloc, et assemblés à l'aide de tirants aux extrémités desquels se trouvent vissés des écrous. Ainsi, en pressant les unes contre les autres les plaques et/ou les entretoises, on constitue un assemblage étanche qui ne nécessite pas d'opération de soudage ou collage et permet de ce fait un démontage rapide. Bien entendu, on pourrait tout à fait envisager d'utiliser des échangeurs à plaques brasées, ou soudées. Mais, un échangeur comprenant des plaques empilées, simplement assemblées par pression les unes contre les autres, peut être nettoyé plus facilement. L'assemblage permet de surcroît une modularité particulièrement avantageuse qui peut être ajustée ou adaptée à des changements d'utilisation.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de dispositif décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après.
Ainsi, on a décrit une application du dispositif selon l'invention aux fluides comprenant des particules. Mais il est évident que de nombreux autres fluides, ou mélanges de fluides de toutes sortes, sont concernés par l'invention, et notamment dans les domaines (agro)alimentaire, chimique et métallurgique. L'invention permet en effet de contrôler en continu une réaction chimique par échange thermique ainsi que par injection d'un ou plusieurs réactants. En outre, les fluides peuvent être sous forme liquide, gazeuse, solide/liquide ou liquide/gazeuse.
Par ailleurs, l'invention s'applique également à la désorption et à l'absorption, ces opérations pouvant être effectuées indépendamment des autres opérations de traitement mentionnées précédemment, ou bien en complément de celles-ci.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'échange et/ou de réaction entre au moins deux fluides, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une première entretoise (1 ;21 ;41 ;61 ), d'une épaisseur choisie et comportant des parois latérales définissant une première chambre (2;22;45;62) munie d'une partie centrale au moins partiellement évidée pour la circulation d'un premier fluide, et au moins une seconde chambre (6;28;46;66) pour la circulation d'un second fluide, lesdites première et seconde chambres étant séparées par une première paroi d'échange (11 ;26;42;64) propre à assurer un échange et/ou une réaction entre fluides, de type thermique et/ou par transfert de masse.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'une première paroi latérale (26;42) de la première entretoise (21 ;41 ) est fermée de manière à former ladite première paroi d'échange et présente une face externe adaptée pour coopérer avec une plaque (32;53) de manière à définir conjointement ladite seconde chambre (28;46), ladite première entretoise, ou ladite première entretoise et ladite plaque, définissant un bloc modulaire de traitement (Bi).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'elle comporte au moins deux blocs (Bi) dont la première entretoise (21 ) comporte une seconde paroi latérale (27) ouverte, parallèle, ou inclinée par rapport, à la première paroi latérale fermée (26), et agencée pour être obturée par une plaque (32) d'un autre bloc.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'elle comporte une autre première entretoise (41 ) dont la face externe de la première paroi d'échange (42) est destinée à être obturée à étanchéité par ladite plaque (53) de manière à définir une autre seconde chambre (46), lesdites premières entretoises (41 ) et ladite plaque (53) définissant un surbloc modulaire de traitement.
5. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'elle comprend au moins deux premières entretoises (41) présentant au moins une première paroi latérale (42) fermée de manière à former une première paroi d'échange adaptée pour définir avec une autre première paroi d'échange (42) une seconde chambre (46), lesdites premières entretoises définissant ainsi un bloc modulaire de traitement.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux blocs (Bi) dont les premières entretoises (41 ) comportent chacune une seconde paroi latérale (43) placée en regard d'une première paroi latérale (42) et fermée de manière à former une seconde paroi d'échange, chaque seconde paroi d'échange (42) étant adaptée pour définir avec une autre seconde paroi d'échange (42) une autre seconde chambre (46).
7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte une membrane intercalée entre deux premières entretoises successives de manière à subdiviser la seconde chambre en deux parties, ladite membrane formant paroi d'échange.
8. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la première entretoise (61 ) comporte une première paroi latérale ouverte, et en ce qu'il comprend au moins une première (64) et une seconde (65) plaques agencées pour définir conjointement ladite seconde chambre (66), la première plaque (64) étant en outre destinée à obturer ladite première paroi latérale ouverte en formant ladite première paroi d'échange, et ladite première entretoise (61 ) et lesdites première (64) et seconde (65) plaques définissant ainsi un bloc modulaire de traitement (Bi).
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux blocs (Bi) dont les premières entretoises (61) comportent chacune une seconde paroi latérale ouverte, placée en regard d'une première paroi latérale ouverte, et propre à être obturée à étanchéité par une seconde plaque (65) d'un autre bloc.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la première paroi d'échange (11) est une membrane.
11. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'elle comprend une seconde entretoise (7) d'une épaisseur choisie et comprenant des parois latérales définissant ladite seconde chambre (6), au moins partiellement évidée pour la circulation du second fluide, lesdites première (1 ) et seconde (7) entretoises présentant une première paroi latérale (12) s ouverte, lesdites premières parois ouvertes des première et secondes entretoises étant destinées à être placées l'une en face de l'autre avec interposition d'une membrane de séparation ou d'une plaque (11) formant ladite première paroi d'échange, et lesdites première (1 ) et seconde (7) entretoises et ladite membrane ou plaque (11) définissant un bloc modulaire 0 de traitement (Bi).
12. Dispositif selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux blocs (Bi) dont les premières entretoises (1) comportent chacune une seconde paroi latérale ouverte, placée en regard d'une première paroi latérale (12), et propre à être placée en regard d'une 5 seconde paroi latérale d'un autre bloc avec interposition d'une autre membrane ou d'une plaque.
13. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que certaines au moins des plaques (11 ;32;53;64,65) formant une paroi d'échange sont équipées de perturbateurs de fluide. 0
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que certains au moins des perturbateurs sont des déformations de surface de plaque.
15. Dispositif selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que certains au moins des perturbateurs sont des éléments rapportés 5 sur la plaque.
16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que certaines au moins des premières entretoises comportent une cloison (110) destinée à subdiviser leur première chambre en deux parties.
17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en 0 ce que l'une au moins des entretoises loge des moyens d'injection (100-103) agencés pour injecter au moins un troisième fluide à l'intérieur de la chambre de ladite entretoise.
18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que l'une au moins des entretoises comporte trois ouvertures supérieures et trois ouvertures inférieures pour une alimentation avec trois fluides, et une s collection desdits trois fluides.
19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que l'une au moins des entretoises loge un élément rapporté (14) choisi dans un groupe comprenant un matériau de traitement, un générateur de turbulence, un guide de circulation de fluide et un agitateur. 0
20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que le matériau de traitement est une mousse métallique.
21. Dispositif selon l'une des revendications 19 et 20, caractérisé en ce que le matériau de traitement est choisi parmi une mousse catalytique et un revêtement cataîytique. 5
22. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 21 , caractérisé en ce que l'une au moins des entretoises (61) est constituée d'un assemblage d'au moins deux sous-entretoises (61a,61 b).
23. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux blocs (Bi) ou sur-blocs modulaires 0 parallèles, montés en série de sorte qu'une sortie d'une première chambre de l'un des blocs alimente en premier fluide une entrée d'une première chambre d'un autre bloc ou sur-bloc et qu'une sortie d'une seconde chambre de l'un des blocs ou sur-blocs alimente en second fluide une entrée d'une première chambre d'un autre bloc ou sur-bloc. 5
24. Dispositif selon l'une des revendication 2 à 23, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux blocs (Bi) ou sur-blocs modulaires dont les chambres comportent au moins une première entrée et une sortie, et lesdits blocs ou sur-blocs étant montés en parallèle de sorte que toutes les premières entrées soient alimentées conjointement en premier fluide par un 0 distributeur et que toutes les sorties alimentent un collecteur.
25. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que ledit second fluide est un fluide caloporteur ou frigoporteur.
26. Application du dispositif selon l'une des revendications précédentes au traitement thermique et/ou chimique d'un premier fluide alimentaire ou chimique.
27. Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 25 à la séparation de composants d'un premier fluide complexe.
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