Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2 ~
Electrolyseur pour la production d'un ~az, comprenant un empilage
de cadres verticaux.
Cas S.89/42
SOLVAY & Cie (Societé Anonyme)
L'invention concerne un électrolyseur du type filtre-presse,
pour la production électrolytique d'un gaz.
Les électrolyseurs du type filtre-presse sont généralement
formés d'un empilage de cadres verticaux qui délimitent des
chambres d'électrolyse alternativement anodiques et cathodiques,
dans lesquelles des élec~rodes sont disposées verticalement. Des
membranes à perméabilité sélective ou des diaphragmes perméables
aux électrolytes peuvent etre insérés entre les cadres, pour
séparer les chambres d'électrolyse. Dans ces électrolyseurs, du
gaz est généré aux électrodes et on recueille généralement à la
sortie des chambres d'électrolyse une émulsion drélectrolyte dans
le gaz. L'émulsion doit etre trait~e dans une chambre de d~ga-
zage, pour s~parer le gaz de l'électrolyte entra~nt~.
Dans les documents ~P-A-0052880 et ~P-A-0053807 ~OLIN
CORPORATION), on décrit des électrolyseurs du type défini plus
haut, dans lesquels deux chambres de dégazage sont disposées
au-dessus de l'empilage des cadres. Une des chambres de dégazage
communique avec les chambres d'électrolyse anodiques, tandis que
l'autre chambre de dégazage communique avec les chambres d'élec-
trolyse cathodiques. La communication des chambres de dégazage
avec les chambres d'électrolyse comprend, d'une part, des busesd~bouchant dans la partie supérieure des chambres d'électrolyse
et servant au transfert de l'émulsion des chambres d'électrolyse
vers la chambre de dégazage et, d'autre part, un tuyau débouchant
dans la partie inf~rieure des chambres d'électrolyse et servant
au recyclage, dans celles-ci, de ltélectrolyte séparé de gaz. Les
chambres de dégazage sont par ailleurs en communication avec une
conduite d'admission d'électrolyte frais.
Dans ces électrolyseurs connus, la présence d'une buse et
d'un tuyau séparés entre chaque chambre d'électrolyse et les
chambres de dégazage occasionne un grand encombrement et
, . . . ~ , :., . ,. :
. ~ . ................... . -
, .
- 2 ~
complique la cons~ruction de l'électrolyseur.
Lsinventlon remédie à cet inconvénient des électrolyseurs
connus décrits plus haut, en fournissant un électrolyseur du type
filtre-presse équipé d'au moins une chambr~e de dégazage pour la
S séparation de l'électrolyte entraîné avec le gaz produit dans les
chambres d'électrolyse, dont l'encombrement est réduit et la
construction simplifiée.
L'invention concerne dès lors un électrolyseur pour la
production d'un gaz, comprenant un empilage de cadres verticaux
délimitant des chambres d'électrolyse individuelles juxtaposées
qui sont alternativement anodiques et cathodiques et qui
contiennent chacune au moins une électrode, au moins une chambre
de dégazage disposée au-dessus de l'empilage et reli~e à chacune
des chambres d'électrolyse anodiques (ou cathodiques) par une
buse débouchant dans la partie supérieure de la chambre d'élec-
trolyse et par un tuyau débouchant dans la partie inférieure de
la chambre d'électrolyse, et une conduite d'admission d'~lectro-
lyte dans la chambre de dégazage; selon l'invention la bu~e ~st
dispos~e autour du tuyau de telle sorte que l'extr~mité supé-
rieure de la buse solt au-dessus de l'extr~mité supérieure du
tuyau, et le tuyau communique avec la chambre de dégazage par
l'intermédiaire d'un conduit de ~onction traversant la paroi
latérale du tuyau et celle de la buse.
Dans l'électrolyseur selon l'invention, les cadres forment
la paroi latérale des chambres d'électrolyse. Ils peuvent avoir
; tout profil compatible avec la construction d'un électrolyseur du
type filtre-presse. Ils peuvent indifféremment avoir un profil
circulaire ou polygonal, par exemple carré, trapézoïdal ou
rectangulaire. Ils doivent ~tre réalisés en un matériau qui
résiste chimiquement aux conditions de l'électrolyse,
La chambre de d~gazage est reliée ~ l'ensemble des chambre~
d'électrolyse anodiques (ou cathodiques), dans lesquelles un gaz
est généré à l'électrode. Elle a pour fonction de recueillir le
gaz produit aux électrodes, de séparer l'électrolyte entraîné
avec le gaz et de recycler cet électrolyte dans les chambres
d'électrolyse. La chambre de dégazage est par ailleurs reliée à
une conduite d'admission d'électrolyte frais et sert ainsi de
chambre de transit pour l'alimentation des chambres d'électrolyse
en électrolyte frais. Dans le cas où un gclZ est généré dans
toutes les chambres d'électrolyse, l'électrolyseur peut
comprendre deux chambres de dégazage, l'une de celles-ci étant en
communication avec les chambres d'électrolyse anodiques, tandis
que l'autre est reliée aux chambres d'électrolyse cathodiques.
La liaison de la chambre de dégazage avec les chambres
d'électrolyse comprend des buses qui sont en communication avec
la partie supérieure des chambres d~électrolyse et des tuyaux qui
sont en communication avec la partie inférieure desdites
chambres. On en~end par partie supérieure de la chambre d'élec-
trolyse, la moitié supérieure de sa hauteur; on entend par partie
inférieure de la chambre d'électrolyse, la moitié in~rieure de
sa hauteur. Les buses servent au passage du gaz des chambres
d'électrolyse dans la chambre de dégazage, tandis que les tuyaux
servent ~ alimenter les chambres d'électrolyse en électrolyte
frais et ~ y recycler l'~lectrolyt~ ~épar~ du gaz dan~ la chambre
de dégazage.
Selon l'invention, pour chaque chambre d'~lectrolyse qui est
rellée à la chambre de dégazage, la buse est disposée autour du
tuyau et son extrémité ou arête supérieure est située à un niveau
supérieur à celui de l/extrémité supérieure du tuyau. Un conduit
de ~onction traversant la paroi de la buse et celle du tuyau met
celui-ci en communication avec la chambre de dégazage. Pendant le
fonctionnement de l'électrolyseur, l'électrolyte s'établit au
niveau du conduit de ~onction précité de sorte que les chambres
d'~lectrolyse sont entièrement remplies d'électrolyte. Le gaz
sortant de9 chambres d'~lectroly9e pénètre dans la chambre de
dégazage via les buses, l'électrolyte qui se sépare du gaz à la
sortie des buses retombe dans la chambre de dégazage où il se
mélange à l'électrolyte frais provenant de la conduite
d'admission, et le mélange d'électrolyte passe dans chaque tuyau
via le conduit de jonction précité et est ainsi introduit dans
les chambres d'électrolyse.
Dans une forme de réalisation particulière de l'électro-
.
',' ;
.
- 4 ~ 3 ~ ~
lyseur selon l'invention, le conduit de jonction entre le tuyau
et la chambre de dégazage est obtenu en accolant une partie de la
paroi du tuyau contre une partie de la paroi de la buse et en
perçant une ouverture à travers les parois accolees. Cette iorme
de réalisation de l'invention ~acilite la construction de
l'électrolyseur.
Dans une forme de réalisation particulière de l'électro-
lyseur selon l'invention, la chambre de dégazage contient une
cloison horizontale ou oblique9 qui est traver~ée par les buses
de manière à for~er une chicane sur le circuit de l'~lectrolyte
entre la sortie des buses et son entrée dans le tuyau. Dans cette
forme de réalisation de l'invention, la chlcane a pour effet
d'allonger le circuit de l'électrolyte ~ans la chambre de déga-
zage, ce qui améliore l'homogénéité du mélange des fractions
d'électrolyte sortant des buses.
Dans une autre forme de réalisation de l'électrolyseur selon
l'invention, la buse d~bouche dans un canal d~limit~ ~
l'int~rieur d'un longeron horizontal sup~rieur du cadre de la
chambre d'~lectrolyse, et le tuyau d~bouche dans un canal
délimité dans un longeron horizontal inférieur dudit cadre, les
deux canaux étant en communication avec la chambre d'électrolyse.
Dans une variante intéressante de cette forme de réalisation, les
deux canaux sont reliés par des tubes verticaux, situés dans la
chambre d'électrolyse. Dans cette variante de l'lnvention, les
tubes verticaux ont une double fonction. D'une part, ils parti-
cipent à la circulation de l'électrolyte dans la chambre d'élec-
trolyse; d'autre part, ils constituent des entretoises renforçant
la rigidité de la chambre d'électrolyse et de l'électrode.
Dans l'électroly~eur selon l'invention, la disposition de la
buse autour du tuyau réduit con9id~rablement l'encombrement et
permet, conformément à une forme de réalisation avantageuse de
l'invention, de réaliser la chambre de dégazage sous la forme
d'une enceinte tubulaire, disposée transversalement par rapport
aux cadres.
L'électrolyseur selon l'invention convient pour tous
procédés d'électrolyse dans lesquels on génère un gaz dans une
- 5 _ ~ ~J~J~
partie au moins des chambres d'électrolyse. L'invention
s'applique tout spécialement aux électrolyseurs pour la
production de chlore et de solutions aqueuses d'hydroxyde de
sodium, dans lesquels les chambres d'électrolyse anodiques sont
séparées des chambres d'électrolyse cathodiques par des sépa-
rateurs ioniques. Les séparateurs ioniques utilisés dans les
électrolyseurs selon l'invention sont des feuilles interposées
entre les chambres d'électrolyse et réalisées en un matér~au
susceptible d'être traversé par un courant ionique pendant le
fonctionnement de l'électroly~eur. Ils peuvent être indiffé-
remment des diaphragmes perméables aux électrolytes aqueux ou des
membranes à perméabilité sélective.
Des exemples de diaphragmes utilisables dans les électro-
lyseurs selon l'invention sont des diaphragmes en amiante, tels
que ceux décrits dans le brevet US-A-1855497 (STUART) et clans les
brevets FR-A-2400569, ~P-A-1644 et EP-A-18034 (SOLVAY & Cie) et
des diaphragmes en polymères organiques, tels que ceux décrits
dans les brevet9 FR-A-2170247 tIMPBRIAL CH~MICAL INDUSTRI~S PLC)
et dan~ les brevets EP-A-7674 et BP-A-37140 ~SOLVAY ~ Cie).
On entend, par membrane~ à perméabilit~ sélective, des
membranes minces, non poreuses, comprenant une matière échangeuse
d'ions. Le choix du matériau constituant les membranes et de la
matière échangeuse d'ions va dépendre de la nature des électro-
lytes qoumis à l'électrolyse et des produits que l'on cherche à
obtenir. En règle générale, le matériau des membranes est choisi
parmi ceux qui sont capables de résister aux conditions
thermiques et chimiques régnant normalement dans l'électrolyseur
pendant l'électrolyse, la matière échangeuse d'ions étant choisie
parmi le8 matières échangeuses d'anions ou le~ matières échan-
geuses de cations, en fonction des opérations d'électrolyse
auxquelles l'électrolyseur est destiné.
Par exemple, dans le cas d'électrolyseurs destinés à l'élec-
trolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium pour la
production de chlore, d'hydrogène et de solutions aqueuses
d'hydroxyde de sodium, des membranes qui conviennent bien sont
des membranes cationiques en polymère fluoré, de préférence
,
~ . . .
. ~ :
. :
.
' ,,- :
2 ~
perfluoré, contenant des groupements fonctionnels cationiques
dérivés d'acides sulfoniques, d'acides carboxyliques ou d'acides
phosphoniques ou des mélanges de tels groupements fonctionnels.
Des exemples de membranes de ce type sont celles décrites dans
les brevets GB-A-1497748 et GB-A-1497749 ASAHI KASEI KOGYO
K.K.), GB-A-1518387, GB-A-1527877 et US-A--4126588 (ASAHI GLASS
COMPANY LTD) et GB-A-1402920 (DIAMOND S~AI~OCK CORP. ) . Des
membranes particuli~rement adaptées à cette appllcation de la
cellule selon l'invention sont celles connues sous les noms
l "NAFION" (DU PONT DE NEMOURS & Co) et "PLE~ION" (ASAHI GLASS
COMPANY LTD~.
Des particularités et détails de l'lnvention vont ressortir
de la description qui suit, en référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue en élévation, avec arrachement,
d'une forme de réalisation particulière de l'électrolyseur selon
l'invention;
La igure 2 est une coupe verticale selon le plan II-II de
la ~igure 1;
La figure 3 montre un d~tail de l'électrolyseur deg figure~
1 et 2, ~ grande echelle et en coupe selon le plan III-III des
figures 1 et 2;
La figure 4 est une vue similaire à la figure 2, d'un
tronSon unitaire d'une autre forme de réalisation de l'électro-
: lyseur selon l'invention.
Dans ces figures, de memes notations de référence désignent
des éléments identiques.
Dans la description qui suit? l'invention est spécifiquement
appliquée aux électrolyseurs monopolaires du type flltre-presse à
membranes cationiques, pour la production de chlore, d'hydrogène
et de solutions aqueuse9 d'hydroxyde de sodium par electrolyse de
solutions aqueuses de chlorure de sodium.
L'électrolyseur représenté aux figures 1 à 3 est formé d'un
empilage de cadres verticaux alternativement anodiques 1 et
cathodiques 2. Des membranes à perméabilité sélective 3 sont
interposées entre les cadres 1 et 2 pour délimiter des chambres
d'électrolyse alternativement anodiques 4 et cathodiques 5,
- 7
contenant des électrodes.
Les cadres 1 et 2 présentent une section transversale
rectangulaire. Ils sont formés de deux montant verticaux 6 soudés
à deux longerons horizontaux 7. Dans le cas des cadres anodiques
1, les montants 6 et les longerons 7 sont ~en titane, tandis que
dans le cas des cadres cathodiques 2t ils sont en nickel.
Les électrodes sont du type de celles décrites dans la
demande de brevet belge 08900867 (SOLVAY & Cie). Elles
comprennent chacune une paire de tôles verticales 8 en métal
déployé, disposées de part et d'autre de plusieurs barreaux
métalliques horizontaux 9. Les tôles 8 sont soudees à des
profilés verticaux 10 formés de feuillards métalliques pliés en U
ou en Q. Les profilés 10 sont coudés aux barreaux horizontaux 9
et ceux-ci sont soudés aux montants ~ des cadres, qu'ils
traversent. Ils sont fixés ensemble ~ une barre de jonction 11,
destinée à être couplée à une source de courant. Les barreaux 9
et les profilés 10 coopèrent ainsi au couplage des tôles ~ à la
source de courant et au support de ces tôles à l'int~rieur de la
chambre d'~lectrolyse.
Le mat~riau des tôles 8, des barreaux 9 et des profilés
verticaux 10 dépend de la destination de l'électrode. Dans le cas
des anodes, les tôles 8 sont en titane et portent un revêtement
conducteur de l'électricité, à faible surtension pour l'oxydation
électrochimique des ions chlorure, les barreaux 9 comprennent une
âme en cuivre chemisée dans une enveloppe en titane et les
profilés verticaux 10 sont en titane. Dans le cas des cathodes,
les tôles 8 sont en nickel, les barreaux 9 comprennent une âme en
cuivre chemisée dans une enveloppe en nickel et les profilés
verticaux 10 sont en nickel.
L'empilage des cadres 1 et 2 et des membranes 3 est retenu
entre deux flasques d'extrémité 12, reliés par des tirants non
représent~s, des ~oints 13 assurant l'étanchéité.
Les longerons 7 des cadres 1 et 2 sont creux, de manière à
délimiter des canaux internes de section carrée ou rectangulaire,
respectivement 14 dans le cas du longeron inférieur et 15 dans le
cas du longeron supérieur. Les canaux 14 et 15 communiquent avec
. . , : . ,
.:
. ,.: ,
-- 8 --
les chambres d'électrolyse 4 et 5, par l'intermédiaire d'ouver-
tures 16 pratiquées dans la paroi des longerons. Dans chaque
chambre d'électrolyse 4 ou 5, les deux canaux 14 et 15 sont par
ailleurs reliés par des tubes verticaux 27, disposés à
l'intérieur de la chambre d'électrolyse, entre les deux tôles 8
de l'électrode.
Une chambre de dégazage 17 est disposée au-dessus de l'empi
lage. Elle a la forme d'une enceinte tubulaire horizontale,
disposée transversalement par rapport aux cadres 1 et 2. La
I chambre de dégazage 17 communique avec le canal inférieur 14 de
chaque chambre anodique 4 par l'intermédiaire d'un tuyau vertical
18 obturé à son extrémité supérieure et percé d'une ouverture
latérale 19. Elle communique également avec le canal supérieur 15
par l'intermédiaire d'une buse vereicale 20. La buse 20 est
dispoQée autour du tuyau 18, de telle sorte que son arête supé-
rieure soit située ~ un niveau supérieur à celui de l'arête supé-
rleure du tuyau 18.
La figure 3 montre, en section transversale hori20ntale,
l'assemblage du tu~au 18 et de la buse 20. Le tuyau 18 et la buse
Z0 ont une sectlon transversale rectangulaire et sont obtenus par
pliage d'une tôle en titane. La buse 20 est appliqu~e contre la
face du tuyau 18, dans laquelle l'ouverture 19 est percée. Une
ouverture 21 est percée à travers la paroi de la buse 20, en
regard de l'ouverture 19 du tuyau 18, de sorte que le tuyau 18
communique avec la chambre de dégazage par l'intermédiaire des
deux ouvertures 19 et 21.
A l'intérieur de la chambre de dégazage 17, les buses
traversent une cloison horizontale 22. Sous la cloison 22, est
disposé un tube horizontal 23 percé d'ouvertures 24. Le tube 23
traverse la paroi d'extrémité de la chambre de dégazage, pour
être raccordé à un conduit d'admission (non représenté) d'une
solution aqueuse de chlorure de sodium.
Une tubulure 25 débouche dans la partie supérieure de la
chambre de dégazage. ~lle sert à évacuer le chlore produit
pendant l'électrolyse.
L'électrolyseur peut comprendre une seconde chambre de
~ .
2 ~ '~ 147~
- 9 -
dégazage (non représentée), similaire à la chambre de déga~age 17
et reliée aux chambres cathodiques 5 par des tuyaux et des buses
analogues aux tuyaux 18 et aux buses 20.
Pendant le fonctionnement de l'électr~lyseur représenté aux
figures 1 à 3, une solution aqueuse de chlorure de sodium est
introduite dans la chambre de dégazage 17 via le tube 23. Lorsque
la solution de chlorure de sodium dans la chambre de dégazage 17
atteint le niveau des ouvertures 19 et 21, elle passe dans les
chambres d'électrolyse anGdiques, via les tuyaux 1~, les canaux
l inférieurs 14 et les ouvertures 16 de ceux-ci. Du chlore est
généré sur les tôles 8 des anodes et passe dans la chambre de
dégazage en remontant à travers l'électrolyte dans les chambres
4, les canaux 15 et les buses 20. A la sortie des buses 20,
l'électrolyte entraîné avec le chlore se sépare de celui-ci et
retombe dans la chambre de dégazage, où il se m~lange à l'élec-
trolyte frais provenant du tube 23. La cloison 22 réalise une
chicane allongeant le chemin parcouru par l'électrolyte séparé du
chlore, ce qui garantit une meilleure homogénéité de la solution
de chlorure de sodium introduite dans les chambres d'électrolyse
anod1ques 4. Le chlore sép~ré de l'~lectrolyte s'~chappe de la
chambre de dégazage par l'orifice 25. Par une tubulure 26 en
communication avec les canaux 14, on soutire des chambres ~:
anodiques 4, une fraction d'électrolyte correspondant à la
quantité introduite par le tube d'admission 23.
Parallèlement à la production de chlore dans les chambres
anodiques 4, de l'hydrogène est généré dans les chambres catho-
diques 5. A cet effet, on introduit de l'eau ou une solution
aqueuse diluée d'hydroxyde de sodium dans les chambres catho-
diques 5, et on extrait de celles-ci, via les canaux inférieurs
14, une fraction d'une solutlon concentr~e d'hydroxyde de sodium,
correspondant à la quantité d'eau ou de solution diluée intro-
duite dans les chambres d'électrolyse. Une solution aqueuse :
concentrée d'hydroxyde de sodium est par ailleurs séparée de
l'hydrogène dans une chambre de dégazage analogue à la chambre 17
et est renvoyée dans les chambres cathodiques 5.
Dans l'électrolyseur, les tubes verticaux 27 réalisent une
.
: . ', .' . .
,:
. .
2~
-- 10 --
double fonction. Dlune part, ils servent à provoquer une circu-
lation interne d'électrolyte à l'intérieur des chambres d'élec-
trolyse; d'autre part, ils constituent des raidisseurs entre les
tôles 8 des élsc~rodes, s'opposant à une d~formation de ces tôlss
S sous l'effet de la pression régnant dans les chambres d'électro-
lyse. Les tubes verticaux 27 per~ettent dès lors de réaliser des
chambres d'électrolyse de très grande largeur, sans craindre un
fléchissement des tôles 8 des électrodes.
Dans une variante de réalisation, non représentée, de
l l'électrolyseur des figures 1 à 3, la chambre de dégazage est
formée d'un empilage de tronçons tubulaires juxtaposés, comprimés
entre deux flasques d'extrémité. Dans cette variante de
l'invention, on peut concevoir de solidariser chaque tronçon de
la cha~bre de dégazage à un cadre 1 de l'électrolyseur~ de
manière à réaliser un ensemble unitaire. La figure 4 montre un
tel ensemble unitaire. Il comprend un cadre anodique 1, un
tronSon 17' de la chambre de dégazage 17, un tronçon 22' de la
clol80n 22, un tuyau 18 et une buse 20~ La cohésion de l'ensemble
unitaire est assur~e par la buse 20 ~ laquelle aont soud~s le
cadre 1 et les tronSons 17'et 22'.
.
~' ' ' ' ~ ' '
