CA2032000A1 - Electrolyseur pour la production d'un gaz, comprenant un empilage de cadres verticaux - Google Patents
Electrolyseur pour la production d'un gaz, comprenant un empilage de cadres verticauxInfo
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Abstract
Electrolyseur pour la production d'un gaz, comprenant un empilage de cadres verticaux. Electrolyseur pour la production d'un gaz, comprenant un empilage de cadres verticaux (1, 2) délimitant des chambres d'électrolyse (4, 5), une chambre de dégazage (17) au-dessus de l'empilage, un conduit d'admission d'électrolyte (23) dans la chambre de dégazage, un tuyau vertical (18) reliant la chambre de dégazage à la partie inférieure des chambres d'électrolyse et une buse (20) disposée autour du tuyau et reliant la chambre de dégazage à la partie supérieure des chambres d'électrolyse, le tuyau (18) communiquant avec la chambre de dégazage (17) par un conduit de jonction (19,21) traversant la buse (20). Figure 2.
Description
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, 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 . . , : . , .:
. ,.: , 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~
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 .
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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'.
.
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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 , . . . ~ , :., . ,. :
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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-.
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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 , ~ . . .
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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, 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 . . , : . , .:
. ,.: , 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~
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 .
: . ', .' . .
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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'.
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Claims (10)
1 - Electrolyseur pour la production d'un gaz, comprenant . un empilage de cadres verticaux (1, 2), délimitant des chambres d'électrolyse individuelles juxtaposées, qui sont alternati-vement anodiques (4) et cathodiques (5) et qui contiennent chacune au moins une électrode (8).
. au moins une chambre de dégazage (17) disposée au-dessus de l'empilage et reliée à chacune des chambres d'électrolyse anodiques (4) (ou cathodiques) par une buse (20) qui est en communication avec la partie supérieure de la chambre d'élec-trolyse et par un tuyau (18) qui est en communication avec la partie inférieure de la chambre d'électrolyse, et . une conduite d'admission d'électrolyte (23) dans la chambre de dégazage (17), caractérisé en ce que la buse (20) est disposée autour du tuyau (18), de telle sorte que l'extrémité supérieure de la buse (20) soit au-dessus de l'extrémité supérieure du tuyau (18), et le tuyau (18) communique avec la chambre de dégazage (17) par l'intermédiaire d'un conduit de jonction (19, 21) traversant la paroi latérale du tuyau (18) et celle de la buse (20).
. au moins une chambre de dégazage (17) disposée au-dessus de l'empilage et reliée à chacune des chambres d'électrolyse anodiques (4) (ou cathodiques) par une buse (20) qui est en communication avec la partie supérieure de la chambre d'élec-trolyse et par un tuyau (18) qui est en communication avec la partie inférieure de la chambre d'électrolyse, et . une conduite d'admission d'électrolyte (23) dans la chambre de dégazage (17), caractérisé en ce que la buse (20) est disposée autour du tuyau (18), de telle sorte que l'extrémité supérieure de la buse (20) soit au-dessus de l'extrémité supérieure du tuyau (18), et le tuyau (18) communique avec la chambre de dégazage (17) par l'intermédiaire d'un conduit de jonction (19, 21) traversant la paroi latérale du tuyau (18) et celle de la buse (20).
2 - Electrolyseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie de la paroi de la buse (20) est accolée à une partie de la paroi du tuyau (18), le conduit de jonction étant formé de deux ouvertures (19, 21) ménagées respectivement à
travers les parties de parois accolées.
travers les parties de parois accolées.
3 - Electrolyseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé
en ce que la chambre de dégazage (17) comprend une enceinte tubu-laire horizontale disposée transversalement par rapport aux cadres (1, 2).
en ce que la chambre de dégazage (17) comprend une enceinte tubu-laire horizontale disposée transversalement par rapport aux cadres (1, 2).
4 - Electrolyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la chambre de dégazage (17) contient une chicane comprenant une cloison horizontale ou oblique (22), traversée par les buses (20).
5 - Electrolyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la conduite d'admission de l'élec-trolyte comprend un tube (23) à paroi perforée, disposé dans la chambre de dégazage (17).
6 - Electrolyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la buse (20) débouche dans un canal (15) délimité à l'intérieur d'un longeron horizontal supérieur (7) du cadre de la chambre d'électrolyse, et le tuyau (18) débouche dans un canal (14) délimité dans un longeron horizontal inférieur (7) dudit cadre, les deux canaux étant en communication avec la chambre d'électrolyse.
7 - Electrolyseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux canaux (14, 15) sont reliés par des tubes (27) situés à l'intérieur de la chambre d'électrolyse.
8 - Electrolyseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les tubes (27) joignant les deux canaux (14, 15) sont situés entre au moins une paire de tôles métalliques verticales ajourées (8), disposées vis-à-vis l'une de l'autre et formant une partie au moins de l'électrode de la chambre d'électrolyse.
9 - Electrolyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend deux chambres de déga-zage, dont l'une est reliée aux chambres d'électrolyse anodiques (4) et dont l'autre est reliée aux chambres d'électrolyse catho-diques (5), des séparateurs ioniques (3) étant interposés entre les chambres d'électrolyse (4, 5).
10 - Electrolyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour l'électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium.
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