Brevet FR2431878A1 — publié le 19800222

L'invention est relative aux dispositifs chimiques et/ou électrochimiques, ainsi qu'aux procédés mis en oeuvre dans ces dispositifs. L'invention concerne en particulier les dispositifs chimiques et/ou électrochimiques comportant au moins une chambre de réaction à travers laquelle circule un fluide, liquide ou gazeux, dans lequel se trouvent des particules. lies particules peuvent être inactives, par exemple catalytiques, ou être constituées au moins en partie par au moins une matière active qui participe aux réactions chimiques et/ou électrochimiques mises en jeu dans la chambre. L'ensemble du fluide et des particules est appelé par la suite "suspension", ce terme très général étant valable quelle que soit la répartition des particules dans le fluide. A titre d'exemple non limitatif un tel dispositif peut être un générateur électrochimique de courant électrique, la chambre étant un compartiment électrochimique, et le liquide un électrolyte. Un générateur de ce type est par exemple un générateu à électrode négative dispersée utilisant une suspension de particules d'un métal actif, notamment le zinc. Ces particules peuvent être constituées en totalité par le métal, ou comporter par exemple un noyau inerte, de préférence conducteur électronique au moins en surface, ce noyau étant recouvert d'une couche de métal actif. Dans les générateurs utilisant une suspension de particule actives, il est connu d'utiliser un réservoir tampon d'électrolyte et de particules disposé en série dans un trajet reliant la sortie du compartiment à son entrée, la suspension circulant ainsi dans un circuit comportant en série le compartiment et le réservoir. Ces dispositifs présentent les inconvénients suivants. Pour obtenir une composition satisfaisante de la suspensic à entrée du compartiment, il est nécessaire de maintenir une agitation dans le réservoir, ce qui conduit à donner à celui-ci une forme bien définie, à encombrement important. Le réservoir contient une quantité importante de particules ce qui peut conduire à une corrosion appréciable de la matière active par le liquide, cette corrosion diminuant l'énergie spécifique du générateur et pouvant causer des problèmes graves de sécurité par suite de dégagements gazeux explosifs ou toxiques. Pour tenter de diminuer le poids des générateurs, le brevet anglais 1 437 649 propose de diminuer le volume d'électrolyte en circulation. Dans ce but, la suspension de-particules de zinc dans un électrolyte alcalin sortant du compartiment négatif est introduite dans un filtre de façon à prélever une partie de l'électrolyte. Cette partie -d'électroly;te exempte de particules est traitée par chauffage dans une installation annexe de façon à provoquer une précipitation de l'oxyde de zinc qu'on élimine. L'électrolyte ainsi débarassé de zinc oxydé est réintroduit dans le compartiment anodique avec la suspension de zinc sortant du filtre. T, expérience montre qu'un tel traitement est très difficile à réaliser de façon satisfaisante. lie but de l'invention est d'éviter les inconvénients précédemment décrits. En conséquence, le procédé conforme à l'invention mettant en oeuvre des réactions chimiques et/ou électrochimiques dans au moins une chambre de réaction traversée par une suspension de particules dans un fluide, est caractérisée en ce que : a) on sépare la suspension sortant de la chambre en deux fractions - une fraction dite "fraction concentrée", comportant la plus grande partie ou la totalité des particules, - une fraction, dite "fraction fluide", comportant la plus grande partie ou la totalité du fluide b) la "fraction fluide" est introduite dans au moins un réservoir ; partir c) on provoque un écoulement fluide à / du réservoir, cet écoulement étant réuni à la "fraction concentrée pour former une suspension d) la suspension ainsi formée est introduite dans la chambre de réaction. Les figures toutes schématiques du dessin avec leur description ainsi que les exemples qui suivent sont destinés à illustrer l'invention et à en faciliter la compréhension sans toutefois en limiter la portée. Parmi ces figures, toutes schématiques - la figure 1 représente un dispositif conforme à l'invent - la figure 2 représente un autre dispositif conforme à l'invention utilisant des cyclones séparateurs - la figure 3 représente en coupe un autre dispositif conforme à l'invention utilisant des filtres. On voit à la figure 1 un dispositif 1 conforme à l'invente Ce dispositif 1 comporte une chambre 2 de réaction à travers laquelle circule la suspension 3 comportant les particules 4 et le fluide 5. La circulation de la suspension 3 à travers la chambre 2 s'effectue grâce au conduit 6 d'entrée et au conduit de sortie. Les moyens de circulation, par exemple une ou plusieurs pompes, ne sont pas représentés à la figure 1. Les particules 4 snt par exemple constituées au moins en partie par au moins une matière active qui participe aux réactions chimiques et/ou électrochimiques mises en oeuvre dans la chambre 2. La suspension sortant de la chambre 2 est introduite dans le séparateur 8.Ce séparateur divise la suspension 3 en deux fractions - une fraction dite "fraction concentrée" symbolisée par la flèche 9 comportant la plus grande partie ou la totalité des particules 4 ; cett#"fraction concentrée" peut éventuellement contenir du fluide 5 - une fraction dite "fraction fluide" symbolisée par la flèche 10, comportant la plus grande partie ou la totalité du fluide 5. La "fraction concentrée" 9 s'écoule hors du séparateur 8 par le conduit 11 et la "fraction fluide" 10 s'écoule hors du séparateur 8 par le conduit 12 qui débouche dans un réservoir 13. eventuellement Le réservoir 13 contient du fluide 5 et/des particules 4 provenant de la "fraction fluide 10. Une quantité déterminée de fluide 5 est placée dans le réservoir 13 avant le fonctionnement du dispositif 1. partir On provoque un écoulement du fluide 5 à / du réservoir 13 par le conduit 15, cet écoulement étant symbolisé par la flèche 14. Cet écoulement 14 peut éventuei4ement contenir des particules 4, la composition-de l'écoulement/etant par exemple pratiquement la même que celle de la "fraction fluide" 10. Cet écoulement peut être d'autre part exempt de particules, par exemple par suite d'une sédimentation des particules 4 dans le réservoir 13. L'écoulement 14 est réuni à la "fraction concentrée" 9 3 dans le mélangeur 16 pour former une suspension/qui est introduite dans la chambre 2 par le conduit 6, le dispositif 1 fonctionnant par exemple en continu. Le séparateur 8 peut comporter par exemple au moins un filtre et/ou au moins un cyclone et/ou au moins un décanteur. Le mélangeur 16 peut être constitué par exemple par la réunion des conduits 11 et 15. Le mélangeur 16 peut d'autre part constituer une partie du séparateur 8, dans ce cas la "fraction concentrée" 9 reste dans le séparateur jusqu'à ce qu'elle soit réunie à l'écoulement 14 pour former une suspension, le dispositif 1 étant alors éventuellement dépourvu de conduit 11. Un appareil 17 peut éventuellement être employé pour introduire des particules 4 dans la suspension 3 avant quelle ne pénètre dans la chambre 2, par exemple si l'on désire maintenir constante la quantité de matière active dans la suspension 3 introduite dans la chambre 2. A titre d'exemple, cet appareil 17 peut comporter un réservoir de particules avec une trémie ou une vis d#Archimède, ou être un des dispositifs décrits dans les demandes de brevet français 77-04652 et 78-10853, ces dispositifs permettant d'éroder une masse de façon à produire des particules. La "fraction concentrée" 9 peut être éventuellement au moins en partie introduite dans uh appareil 18 de régénération de la matière active, par exemple une régénération chimique et/ou électrochimique, les particules régénérées étant notamment réintroduites dans la suspension 3~avant que celle-ci ne soit introduite dans la chambre 2. Le dispositif 1 conforme à l'invention procure les avantages suivants : - le fluide 5 circulant dans les conduits 12, 15 et dans i réservoir 13 contient une quantité faible ou nulle de particules 4 Dans ces conditions aucune agitation n'est nécessaire dans le rése 13 qui peut ainsi avoir une forme quelconque.A titre d'exemple, s le dispositif 1 est un générateur électrochimique utilisé sur un véhicule, le réservoir 13 de forme quelconque peut être disposé dans les espaces morts du véhicule - la quantité de fluide 5 en contact avec les particules 4 dans le circuit formé par la chambre 2, le séparateur *8, le mélange 16 et les conduits 6, 7, Il peut être rendue faible par rapport à quantité totale de fluide 5 dans l'ensemble du dispositif 1, ce qu diminue notablement les risques de corrosion des particules 4 par le fluide 5. La figure 2 représente un autre dispositif 20 conforme à l'invention. Ce dispositif 20 est par exemple un générateur électr chimique de courant électrique. Les particules 4 sont des particul de zinc et le fluide 5 un électrolyte liquide alcalin. La chambre est un compartiment négatif où se produit l'oxydation électrochimique du zinc, ce compartiment négatif 2 étant associé électrochin quement avec au moins un compartiment positif 21, comportant par exemple une électrode à diffusion d'air ou d'oxygène, ou une électrode à oxyde métallique. La cellule 22 constituée par les compartiments 2 et 21 est par exemple conforme à l'une des cellule décrites dans les demandes de brevets français publiées sous les numéros 2 319 982, 2 360 999, 2 361 000, 2 361 001, 2 361 002. Le séparateur 80 de ce dispositif# 20 comporte deux cyclone 8-1 et 8-2 à centrifugation de type connu placés en série. Cette disposition n'est pas limitative, le dispositif 20 pouvant comporte éventuellement un seul cyclone ou plus de deux cyclones disposés E série et/ou en parallèle. La suspension 3 en provenance du compartiment 2 est introduite dans le cyclone 8-1. La "fraction concentl 9 provenant de la base du cyclone 8-1 s'écoule dans le conduit 11. La "fraction fluide", symbolisée par la flèche 10-1, contenant encore une quantité notable de particules 4 et provenant de la pa ] supérieure du cyclone 8-1, est introduite dans le cyclone 8-2. La "fraction concentrée", symbolisée par la flèche 9-2, provenant de la base du cyclone 8-2 est introduite par le conduit 11-2 dans le conduit 7, en amont du cyclone 8-1, et la "fraction fluiE" 10 provenant de la partie supérieure du cyclone 8-2 s'écoule dans le conduit 12 en direction du réservoir 13. L'écoulement 14 de l'électrolyte 5 sortant du réservoir 13 par le conduit 15 est introduit dans le réservoir 17, contenant des particules 4 fraîches, où il se mélange à une partie de ces particules. La suspension ainsi produite s'écoule par le conduit 15-1, elle reçoit la "fraction concentrée" 9 avant d'être introduite dans la chambre 2, grâce à la pompe 26. La quantité de particules 4 dans la suspension 3 introduite dans le compartiment 2 peut être ainsi maintenue pratiquement constante pendant le fonctionnement du dispositif 1. Les pompes 23, disposée sur le conduit 7, 24 disposée sur le conduit 11, et 25 disposée sur le conduit 11-2, assurent l'écoulement des particules 4 et de l'électrolyte 5 dans le séparateur 80. Les pompes 24 et 25 sont de préférence des pompes volumétriques, par exemple des pompes péristaltiques, de façon à assurer un débit constant pour chacune des "fractions concentrées" 9 et 9-2, quelle que soit la viscosité de cette fraction. Les conditions opératoires nullement limitatives sont par exemple les suivantes, à la température ambiante, soit environ 200 C - particules 4 : diamètre moyen 10 à 60 micromètres - électrolyte 5 : solution aqueuse de potasse (hydroxyde de potassium) 6N(6 moles d'hydroxyde de potassium par litre) - caractéristiques de la suspension 3 dans le conduit 7, à l'entrée du séparateur 80 : débit volumétrique total 120 1/heure, soit un débit de particules de zinc de 15,6 kg/heure étant donné queweette suspension contient environ 0,13 kg/l de particules de zinc ; le débit de la suspension 3 et sa composition en particules de zinc sont pratiquement les mêmes à l'entrée et à la sortie du compartiment 2, car la quantité de zinc oxydé électrochimiquement lors de chaque passage de la suspension 3 dans le compartiment 2 est faible - caractéristiques de la "fraction concentrée" 9 sortant du séparateur 80 : débit volumétrique total 15 1/heure, soit un débit de particules de zinc de 15,3 kg/heure - caractéristiques de la "fraction fluide" 10 introduite dans le réservoir 13 : débit volumétrique total 105 1/heure, soit un débit de particules de zinc de 0,3 kg/heure - la quantité d'électrolyte 5 contenue dans le réservoir 13 et la quantité de particules 4 de zinc introduites dans la suspension 3 à partir du réservoir 17 sont choisies de façon à assurer le fonctionnement du générateur 20, pour la durée désirée le dispositif 20 étant dépourvu d'a#ppareil pour éliminer ou diminuer la quantité de zinc oxydé. La figure 3 représente un autre dispositif 30 conforme à l'invention. Ce dispositif 30 comporte la chambre 2, le réservoir de fluide 13, et un séparateur 800 comportant deux filtres 31 et 32 fixes. Ces filtres 31 et 32 de forme par exemple identique comportent chacun une enceinte intérieure 33, limitée par une toile filtrante 34 cylindrique, et une enceinte extérieur annulaire 35 entourant la toile 34. Ces filtres fonctionnent alternativement en phase de colmatage et en phase de décolmatage. Dans-le dispositif 30 représenté à la figure 3, le filtre 31 est en phase de colmatage et le filtre 32 en phase de décolmatage Le conduit 6 d'entrée de la chambre 2 est relié à l'ouveyture A de la vanne A. Cette vanne A à deux voies est en A, 1 92smboSe par un trait plein reliant les ouvertures positionyAo et A1 de la vanne A, cette ouverture#k1 étant reliée à l'enceinte intérieure 33 du filtre 32 par les conduits 36 et 37 Le conduit 7 de sortie de la chambre 2 est relié à l'ouverture Bo de la vanne B.Cette vanne B à deux voies est en position BoB1 symbolisée par un trait plein reliant les ouverture Bo et B1 de la vanne B, cette ouverture Bl étant reliée à enceinte intérieure 33 du filtre 31 par les conduits 38 et 39. Ta suspension 3 sortant de la cellule 2 est donc ainsi introduite dans l'enceinte intérieure 33 du filtre 31. Les particules 4 forment un gâteau 40 de colmatage ---------- plaqué contre la toile filtrante 34 de ce filtre 31, ce gâteau constituant la "fraction concentrée". Le fluide 5 pratiquement sans particule 4 passe alors dans l'enceinte extérieure 35 du filtre 31, ce mouvement étant symbolisé par les flèches 41. Ce fluide 5 débarrassé des particules a constitue la "fraction fluide" 10 qui's'écoule hors de l'enceinte extérieur 35 du filtre 31 par les conduits 42, 43 reliés à l'ouverture Ci de la vanne C à deux voies. Cette vanne C est en position CICO symbolisée par un trait plein reliant les ouvertures Ct et CO de la vanne C, l'ouverture CO étant reliée au réservoir 13 de fluide 5 par le conduit 12. Le conduit 15 de sortie du réservoir 13 est relié à l'ouverture Do de la vanne D à deux voies. Cette vanne D est en position D0D1, symbolisée par un trait plein reliant les ouvertures Do et D1 de cette vanne. L'ouverture D1 de la vanne D est reliée à l'enceinte extérieure 35 du filtre 32 par les conduits 44, 45.L'écoulement 14 de fluide 5 en provenance du réservoir 13 pénètre alors à travers la toile filtrante 34 du filtre 32 vers l'enceinte intérieure 33 de ce filtre. il entrains et dissocie le gâteau 40, formé lors3d'une phase de colmatage précédente, pour former une suspension/que l'on introduit dans la chambre 2 par les conduits 57, 36, 6 et par les ouvertures Ao et A1 de la vanne A. Lors de la phase suivante le trajet du fluide et des particules est inversé. Le filtre 31 est en phase de décolmatage et le filtre 32 en phase de colmatage. Les vannes A, B, C, D sont alors respectivement en positions A0A2, BoB2, C0C2, D0D2, ces positions étant représentées par des pointillés à la figure 3. La suspension en provenance du filtre 31 est introduite dans la chambre 2 par les conduits 39, 46, 6. La suspension sortant de la chambre 2 est introduite dans le filtre 32 par les conduits 7, 47, 37. Le fluide 5 sortant du filtre 32 est introduit dans le réservoir 13 par les conduits 45, 48, 12. L'écoulement 14 du fluide 5 en provenance du réservoir 13 est introduit dans le filtre 31 par les conduits 15, 49, 42. Comme décrit précédemment avec le dispositif 20, à titre d'exemple la chambre 2 est un compartiment négatif d'une cellule 22 électrochimique de courant électrique, les particules 4 sont des particules de zinc, et le fluide 5 un électrolyte aqueux alcalin. Les conditions opératoires nullement limitatives sont par exemple les suivantes - débit de suspension à l'entrée du filtre en phase de colmatage : 120 l/h, inerte dans l'électrolyte 5 - surface filtrante de chaque toile filtrante/: 30 cm2, les mailles étant d'environ 3 micromètres ; cette toile peut être éventuel lellent remplacée Par un non tissé, une membrane ou une plaque poreuse, une grille - nombre de phases de colmatage et nombre de phases de décolmatage pour chaque filtre : 15 à la minute, ce qui garantit une composition en particules et un débit pratiquement constants pour la suspension/introduite dans la chambre 2 - les vannes sont commandées par un système à came (nonreprésenté à la figure 3). Etant donné que le sens de circulation de l'électrolyte 5 dans le réservoir 13 est constant, on a un brassage et un renouvellement permanent de cet électrolyte. il va de soi que l'on peut utiliser plus de dedeux filtres 31, 32, et que ces filtres peuvent avoir une autre disposition que celle qui a été représentée à la figure 3, par exemple une dispositio telle que les toiles filtrantes 34 aient une forme plane et/ou que la suspension à filtrer soit introduite dans les enceintes extérieur 35 et 11 écoulement 14 dans les enceintes intérieures 33. La puissance absorbée par les sçanteurs 80 et 800 est faible par rapport à la puissance disponible aux bornes positive P et négative g de la cellule 22. A titre d'exemple lorsque les séparateurs 80 et 800 sont utilisés chacun dans un générateur comportant plusieurs compartiments 2 traversés en série et/ou en parallèle par la suspension 3, de façon à obtenir une puissance disponible d'environ 2000 W, la puissance absorbée par chacun de ces séparateurs peut être rendue au plus égale au centième de cette puissance. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits. On peut en effet à partir de ceux-ci prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi par exemple que les séparateurs dans les dispositifs conformes à l'invention peuvent comporter chacun éventuellement au moins un filtre mobile, par exemple un filtre rotatif, la formation d'un gâteau de particules filtrées s'effectuant à un endroit de ce filtre, et la dissociation de ce gâteau par le fluide, pour former une suspension introduite ensuite dans la chambre, s'effectuant à un autre endroit de ce filtre. D'autre part les dispositifs conformes à l'invention peuvent éventuellement comporter chacun plusieurs réservoirs d'électrolyte et/ou plusieurs appareils pour introduire les particules. L'invention s'applique également lorsque "la fraction concentrée" et/ou la "fraction fluide" sont divisées en plusieurs fractions ou constituées de plusieurs fractions. REVENDICATIOIGS 1. Procédé mettant en oeuvre des réactions chimiques et/ou électrochimiques dans au moins une chambre de réaction traversée par une suspension de particules dans un fluide, caractérisé en ce que a) on sépare la suspension sortant de la chambre en deux fractions - une fraction, dite "fraction concentrée", comportant la plus grande partie ou la totalité des particules, - une fraction, dite "fraction fluide", comportant la plus grande partie ou la totalité du fluide b) la"fraction fluide" est introduite dans au moins un réservoir ; partir partir c) on provoque un écoulement du fluide à / du réservoir, cet écoulement étant réuni à la "fraction concentrée" pour former une suspension d) la suspension ainsi formée est introduite dans la chambre de réaction. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ou les produits de réaction restent dans le fluide, ou sont régénérés pour donner au moins une matière active contenue dans le fluide. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la séparation est opérée par centrifugation. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la séparation est opérée par filtration. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'écoulement du fluide hors du réservoir sert à dissocier au moins un gâteau de filtration constituant la "fraction concentrée", la dissociation s'effectuant dans le filtre. 6. Dispositif chimique et/ou électrochimique comportant au moins une chambre de réaction et des moyens permettant de faire écouler à travers cette chambre une suspension de particules dans un fluide, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour a) séparer la suspension sortant de B chambre en deux fractions - une fraction, dite "fraction concentrée", comportant la plus grande partie ou la totalité des particules, - - une fraction, dite "fraction fluide", comportant la plus grande partie ou la totalité du fluide b) introduire la "fraction fluide" dans au moins un réservoir c) provoquer un écoulement du fluide à partir du réservoir et réunir cet écoulement à la "fraction concentrée" pour former une suspension d) introduire la suspension ainsi formée dans la chambre de réaction. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le ou les produits de réaction restent dans le fluide ou en ce qu'il comporte des moyens permettant de régénérer à partir du ou des produits de réaction au moins une matière active contenue dans le fluide. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 6 et 7 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un cyclone. 9. Dispositif selon l'une quelconque des-revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pompe volumétrique pour l'écoulement de la "fraction concentrée" à l'intérieur des moyens de sépration et/ou à la sortie de ces moyens. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un filtre. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour introduire l'écoulement en provenance du réservoir dans le filtre de façon à dissocier au moins un gâteau de filtration constituant la "fraction concentrée". 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qutil comporte au moins deux filtres fixes avec des moyens pour Sire fonctionner alternativement chaque filtre en phase de colmatage et de décolmatage, un filtre étant en-phase de colmatage lorsque l'autre est en phase de décolmatage. 13. Dispositif selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'il est un filtre rotatif.