Brevet FR2705250A1 — publié le 19941125

L'invention concerne un dispositif d'échange à membranes, à multiples chambres, et à multiples circuits de fluides, et un cadre séparateur utilisé dans un tel dispositif. On connait des dispositifs d'échange à membranes, à multiples chambres et à multiples circuits de fluides, tels que des dispositifs d'électrodialyse, de dialyse, d'électrométathèse, etc... Ces dispositifs comportent tous un empilage constitué d'une pluralité de membranes et de cadres séparateurs disposés de façon alternée et pourvus sur au moins certains de leurs bords de perçages appropriés assurant une distribution appropriee des fluides dans les chambres délimitées par deux membranes successives et le cadre séparateur intercalé entre elles, puis l'évacuation de ces fluides à partir desdites chambres. Les cadres séparateurs utilisés dans ces dispositifs sont habituellement constitués d'une partie périphérique formant joint, de forme carrée ou rectangulaire, dans laquelle sont prévus les perçages susmentionnés et une partie centrale évidée destinée à recevoir un élément d'espacement perméable aux fluides, tel qu'une grille ou tissu, servant à maintenir espacées les membranes contiguës à un cadre séparateur donne et donc à éviter une interruption du passage des fluides à travers les chambres. Divers types de cadres séparateurs ont été proposes pour assurer la répartition des fluides dans les différents circuits et 1 'étanchéité entre ces circuits et vis-à-vis de l'extérieur des empilements. Des cadres séparateurs assurant une disposition croisée de la circulation des fluides (EP-B-95 583) entrainent des différences de pression locales entre deux chambres consécutives et ne sont donc pas souhaitables pour des installations de grande taille. D'autres configurations évitent cet inconvénient en pratiquant une adduction des fluides sur le même côté par des passages prévus dans l'épaisseur des cadres séparateurs (EP-B-219 083). Une telle géométrie conduit en pratique à des cadres séparateurs assez épais (rv 1 mm), ce qui pénalise les transferts de matière vers les membranes et conduit à une résistance électrique élevée des chambres. De plus ces cadres sont généralement composés de deux parties : un joint périphérique et une grille d'espacement des membranes placée dans l'évidement central et indépendante du joint périphérique, ce qui est une source potentielle d'ennuis, la grille d'espacement pouvant se plier ou se deplacer en service. L'invention vise à remédier aux défauts et inconvenients précités en fournissant des dispositifs d'échange à membranes du genre sus-décrit qui comportent des cadres séparateurs améliorés. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif d'échange à membranes, à multiples chambres et à multiples circuits de fluides, comprenant un empilage d'une pluralité de membranes et de cadres séparateurs disposés de façon alternée, chaque cadre séparateur comprenant une partie périphérique formant joint, de forme carrée ou rectangulaire, et un évidement central recevant un élément d'espacement perméable aux fluides, des perçages étant prévus à travers au moins certains des bords des membranes et des cadres séparateurs pour assurer une distribution appropriée des fluides dans les chambres délimitées chacune par deux membranes successives et le cadre séparateur intercalé entre elles, puis l'évacuation de ces fluides à partir desdites chambres, caractérisé en ce que, en combinaison : a) des perçages sont prévus sur deux côtés opposés de la partie périphérique de chaque cadre et sur ces deux côtés seulement, b) les cadres séparateurs sont orientés de façon que les écoulements des divers fluides à travers les chambres se fassent dans des directions parallèles, c) certains des perçages pratiqués dans la partie périphérique de chaque cadre séparateur communiquent avec la partie centrale par le moyen de passages ou diffuseurs dont la largeur est plus grande au voisinage de ladite partie centrale qu'au voisinage dudit perçage, ces passages ou diffuseurs s'étendant sur toute l'épaisseur de la partie périphérique du cadre séparateur, d) la partie périphérique du cadre séparateur enrobe 1 'élément d1 espacement perméable aux fluides, et e) l'épaisseur totale du cadre séparateur n' excède pas 0,6 mm. L'invention concerne aussi un cadre séparateur tel qu'il vient d'être défini & propos du dispositif de l'invention. Le dispositif de l'invention peut être un dispositif d'électrodialyse, d'électrométathèse, de dialyse, etc... Le dispositif de l'invention peut pitre conçu pour fonctionner avec le nombre de fluides désir, mais il est particulièrement intéressant dans le cas de trois ou quatre fluides. Un dispositif d'électrodialyse tirant un bénéfice particulier des cadres-separateurs de fine épaisseur de l'invention est un dispositif d'êlectrodialyse comprenant au moins une membrane bipolaire. Dans un tel dispositif, on fait circuler, dans une chambre, une solution de sel qui s'appauvrit par transfert de ses cations à travers une membrane échangeuse de cations et par celui de ses anions à travers une membrane échangeuse d'anions. Ces ions rencontrent, respectivement, dans les chambres adjacentes, des ions hydroxyde et hydrogène issus de la dissociation de l'eau au niveau d'une membrane bipolaire pour former une solution qui s'enrichit en base et une solution qui s'enrichit en acide. I1 est connu que les membranes bipolaires disponibles sur le marche doivent préférentiellement travailler à une densité de courant élevée (de préférence supérieure à 800 ampères par m2). Or ceci n'est possible que si la conductivité des solutions circulant dans les différentes chambres est suffisante pour pouvoir transporter cette densite de courant. Si la conductivité dans les chambres acides et bases est en général suffisante, lorsqu'il s'agit de bases et acides fortement dissociés, la conductivité de la chambre sel, qui s'appauvrit en cours de traitement, peut diminuer de telle sorte que la densité de courant limite soit inférieure à la densité de courant recommandée pour le fonctionnement optimal des membranes bipolaires. La diminution de la conductivité peut aussi provenir du fait que l'acide ou la base formés ont un caractere faible. La quantité d ions dissociés dans la ou les chambres correspondantes peut alors diminuer avec le temps et cette ou ces chambres deviennent moins conductrices, ce qui conduit à augmenter la tension à appliquer pour maintenir la densité de courant requise, ce qui pénalise les performances énergétiques du procéde. Il serait alors utile de diminuer au maximum la resistance électrique des chambres où circulent les solutions les moins conductrices par l'utilisation de cadres de la plus fine épaisseur possible, pour l'ensemble des chambres ou pour celles dont la resistance électrique est la plus grande. L'invention en fournissant des cadres-s8parateurs d'épaisseur réduite permet donc d'améliorer substantiellement les performances des dispositifs d' électrodialyse à membranes(s) bipolaire(s). Le cadre séparateur de l'invention peut être realisé en disposant une grille, tissu ou filet entre au moins deux pellicules en polymère thermoplastique découpées chacune à la forme de la partie périphérique formant joint du cadre (y compris les diffuseurs), puis en soudant ou fusionnant ensemble les pellicules pour obtenir un élément composite dans lequel la grille, tissu ou filet, est noyé dans la matière constitutive des pellicules. On pratique finalement les perçages nécessaires. On peut obtenir ainsi un cadre séparateur dont la partie périphérique formant joint présente une épaisseur qui n'est que légèrement supérieure à celle de la grille, tissu ou filet. I1 est ainsi aisé d'obtenir des cadres séparateurs d'une épaisseur n'excédant pas 0,6 mm, de préférence d'au plus 0,45 mm. Lorsqu'on utilise deux pellicules seulement, cellesci seront habituellement constituées d'un matériau polymère souple. Si on utilise plus de deux pellicules, on peut avoir recours à des combinaisons de pellicules souples et de pellicules rigides ou semi-rigides, découpées selon des formes identiques ou différentes, selon que l'on désire obtenir un joint de cadre souple sur la totalité de ses deux faces ou dans certaines zones seulement. Le soudage ou fusionnement des pellicules et de la grille, tissu ou filet pris en sandwich entre lesdites pellicules peut être effectué à l'aide de plaques chauffantes ou bien, ce qui est préféré, d'électrodes de soudure à haute fréquence. Ces électrodes ou plaques peuvent, si désiré, comporter des parties en creux destinées à former les surépaisseurs optionnelles décrites à propos de la figure 6 ci-après. Comme pellicules, on peut utiliser, par exemple des pellicules de poly(chlorure de vinyle), de poly(chlorure de vinyle) surchloré, de copolymère éthylène/acétate de vinyle, ou de polyurethane. La grille, tissu ou filet peut être constituée, par exemple, de polypropylène ou de polyester. I1 convient de noter que les exemples de matériaux indiques ci-dessus ne sont nullement limitatifs. En variante, on peut réaliser le cadre séparateur de l'invention par enduction bilatérale des bords d'une grille, tissu ou filet avec une composition d'élastomère durcissable, par exemple une composition d'élastomère de silicone, puis durcissement de la composition en un élastomère. La description qui va suivre faite en se référant aux dessins annexés fera bien comprendre l'invention. La figure 1 est une vue en plan d'un cadre séparateur selon l'invention, prévu pour trois circuits de fluides. La figure 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue en plan d'un cadre séparateur selon l'invention, prevu pour quatre circuits de fluides. La figure 4 est une vue partielle éclatée d'un empilage réalisé à 1'aide de cadres séparateurs semblables à celui de la figure 3 et illustrant la circulation des fluides. La figure 5 est une vue montrant schématiquement comment on peut associer l'empilage de membranes et de cadres séparateurs avec des collecteurs d'extrémités et des électrodes pour réaliser un dispositif d'électrodialyse selon l'invention. La figure 6 est une vue partielle éclatée de trois cadres séparateurs selon l'invention empilés montrant un détail de réalisation optionnel. La figure 7 est une vue partielle éclatée de quatre cadres séparateurs selon l'invention empilés montrant un autre détail de réalisation optionnel ; et La figure 8 est une représentation schematique d'un electrodialyseur à membranes bipolaires. Les figures 1 et 2 illustrent un cadre séparateur de l'invention conçu pour realiser un dispositif à trois circuits de fluides. Ce cadre séparateur comprend une partie périphérique 1 formant joint et un évidement central 2 occupé par une grille d'espacement 3. La partie périphérique 1 comporte, sur deux de ses côtés opposés et sur ces deux côtés seulement, une pluralité de perçages 4a, 4b et 4c prévus pour le passage des trois fluides a, b et c, respectivement. Certains de ces perçages, en l'espèce les perçages 4b dans le cas illustré, communiquent avec l'évidement central occupé par la grille 2 par l'intermédiaire de passages ou diffuseurs 5 comportant chacun une portion 5a de largeur constante adjacente au perçage 4b et une portion évasée 5b adjacente a l'évidement central. En variante les diffuseurs 5 pourraient aller en s'évasant dès le perçage 4b, c'est-àdire ne pas comporter de portion 5a, comme illustré sur la figure 3. Le but de ces diffuseurs est de répartir du mieux possible le fluide qui sort des perçages 4, sur toute l'étendue de l'évidement central, de façon à éviter les zones "mortes" et & uniformiser au mieux les vitesses d'écoulement des divers flux émanant des divers perçages amenant du fluide à la chambre délimitée par le cadre séparateur et les deux membranes contiguës à ce cadre. La grille 3 s'étend dans l'évidement central et sert à maintenir espacées les membranes contiguës au cadre séparateur tout en laissant passer le fluide qui s'écoule des perçages situés sur un des côtés du cadre en direction des perçages situés sur le côté opposé. Comme on le voit bien sur la figure 2, la grille 3 s'étend au-dela de l'évidement central et est noyée dans l'épaisseur de la partie périphérique 1 du cadre séparateur. La figure 3 montre un cadre séparateur du même genre que celui des figures I et 2, si ce n'est qu'il est conçu pour être intégre dans un dispositif à quatre circuits de fluides, a, b, c et d, et que les diffuseurs 5 sont dépourvus de la portion 5a, le perçage 4 débouchant directement dans la portion évasée 5b. La figure 4 est une vue éclatée partielle d'un empilage de membranes échangeuses 6 et de cadres séparateurs 1 du type représenté sur la figure 3, illustrant les trajets suivis par les fluides a, b, c et d. Comme on le voit bien sur la figure 4, la position des diffuseurs 5 est décalée d'un cadre au suivant. La figure 5 illustre schematiquement un dispositif d'électrodialyse a quatre circuits de fluides a, b, c et d selon l'invention, comprenant un empilage 10 de membranes échangeuses et de cadres séparateurs, des collecteurs d'entrée 11 et de sortie 12 et deux électrodes 13 et 14, et montre notamment les trajets parcourus par les fluides a, b, c et d, les flèches verticales correspondant aux passages des fluides dans les chambres et les flèches horizontales aux passages des fluides dans les perçages pratiqués dans les membranes et les parties périphériques des cadres séparateurs. La figure 6 est une vue partielle illustrant un mode de réalisation optionnel mais préféré, consistant a prévoir, sur la partie périphérique 1 d'un cadre donné et de part et d'autre de celle-ci, des surépaisseurs 20 positionnées de façon à être en concordance avec la portion Sa des diffuseurs des cadres adjacents audit cadre. Les rôle de ces surépaisseurs est d'assurer une parfaite étanchéité entre les membranes 6 et les parties 1 des cadres, en venant combler un jeu éventuel dû à 1 'enfoncement des membranes dans les cadres au voisinage des dépressions que constituent les diffuseurs 5. La figure 7 represente un autre mode de réalisation optionnel mais préféré, visant aussi à parfaire 1 'étanchéité entre membranes et cadres séparateurs, qui consiste à fixer, par soudure ou autrement, un petit morceau de pellicule 30 en travers de la portion 5a des diffuseurs 5, de part et d'autre de chaque cadre séparateur, afin d'éviter l'enfoncement sus-mentionné des membranes. La figure 8 est un schéma de dispositif d'électrodialyse a membranes bipolaires. Ce dispositif comprend un empilage de membranes M de divers types et de cadres séparateurs S selon l'invention alternés. Les cadres S peuvent être du type décrit aux figures 1 et 2. La référence M; désigne une membrane échangeuse d'anions, une membrane bipolaire, et Mc une membrane échangeuse de cations. L'empilage est pourvu à ses deux extrémités d'électrodes E, positive et négative, respectivement. Les circuits a, b et c correspondent, respectivement, a une solution de sel, une solution d'acide, et une solution de base. I1 va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et que l'on pourrait les modifier, notamment par substitution d' équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Un dispositif d'échange à membranes, à multiples chambres et a multiples circuits de fluides, comprenant un empilage d'une pluralité de membranes (6) et de cadres séparateurs disposés de façon alternée, chaque cadre séparateur comprenant une partie périphérique (1) formant joint, de forme carrée ou rectangulaire, et un évidement central (2) recevant un élément d'espacement (3) perméable aux fluides, des perçages (4) étant prévus à travers au moins certains des bords des membranes et des cadres séparateurs pour assurer une distribution appropriée des fluides dans les chambres délimitées chacune par deux membranes successives et le cadre séparateur intercalé entre elles, puis l'évacuation de ces fluides à partir desdites chambres, caractérisé en ce que, en combinaison a) des perçages sont prévus sur deux côtés opposés de la partie périphérique de chaque cadre et sur ces deux côtés seulement, b) les cadres séparateurs sont orientés de façon que les écoulements des divers fluides à travers les chambres se fassent dans des directions parallèles, c) certains des perçages pratiqués dans la partie périphérique de chaque cadre séparateur communiquent avec la partie centrale par le moyen de passages ou diffuseurs (5) dont la largeur est plus grande au voisinage de ladite partie centrale qu'au voisinage dudit perçage, ces passages ou diffuseurs s'étendant sur toute l'épaisseur de la partie périphérique du cadre séparateur, d) la partie périphérique du cadre séparateur enrobe l'élément d'espacement perméable aux fluides, et e) l'épaisseur totale du cadre séparateur n'excède pas 0,6 mm. 2. Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend trois ou quatre circuits de fluides. 3. Un dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est un dispositif d'électrodialyse ou d'électrométathèse. 4. Un dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une membrane bipolaire. 5. Un cadre séparateur comprenant une partie périphérique (1) formant joint, de forme carrée ou rectangulaire, et un évidement central (2) recevant un élément d'espacement (3) perméable aux fluides, des perçages (4) étant prévus a travers au moins certains des bords du cadre séparateur, caractérisé en ce que, en combinaison i) des perçages sont prévus sur deux côtés opposés de la partie périphérique de chaque cadre et sur ces deux côtés seulement, ii) certains des perçages pratiqués dans la partie périphérique de chaque cadre séparateur communiquent avec la partie centrale par le moyen de passages ou diffuseurs (S) dont la largeur est plus grande au voisinage de ladite partie centrale qu'au voisinage dudit perçage, ces passages ou diffuseurs s'étendant sur toute l'épaisseur de la partie périphérique du cadre séparateur, iii) la partie périphérique du cadre séparateur enrobe 1 'élément d'espacement perméable aux fluides ; et iv) l'épaisseur totale du cadre séparateur n'excède pas 0,6 mm. 6. Un cadre séparateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les diffuseurs (5) comportent une portion (Sa) de largeur constante adjacente au perçage (4) et une portion évasée (Sb) adjacente à l'évidement central. 7. Un cadre séparateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les diffuseurs (5) vont en s'évasant dès le perçage (4). 8. Un cadre séparateur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend, sur la partie périphérique (1) et de part et d'autre de celle-ci, des surépaisseurs (20) positionnées de façon à être en concordance avec la portion (5a) des diffuseurs (5) des cadres adjacents audit cadre. 9. Un cadre séparateur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend des morceaux (30) de pellicule fixés en travers de la portion (5a) des diffuseurs, de part et d'autre du cadre.