EP0435385A1 - 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 verticaux Download PDF

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EP0435385A1
EP0435385A1 EP90203366A EP90203366A EP0435385A1 EP 0435385 A1 EP0435385 A1 EP 0435385A1 EP 90203366 A EP90203366 A EP 90203366A EP 90203366 A EP90203366 A EP 90203366A EP 0435385 A1 EP0435385 A1 EP 0435385A1
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EP
European Patent Office
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electrolysis
pipe
chamber
chambers
nozzle
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EP90203366A
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EP0435385B1 (fr
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Lido Signorini
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Solvay SA
Original Assignee
Solvay SA
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type

Definitions

  • the invention relates to an electrolyser of the filter press type, for the electrolytic production of a gas.
  • Electrolysers of the filter press type are generally formed by a stack of vertical frames which delimit alternately anodic and cathodic electrolysis chambers, in which electrodes are arranged vertically. Selectively permeable membranes or electrolyte permeable diaphragms can be inserted between the frames to separate the electrolysis chambers. In these electrolysers, gas is generated at the electrodes and an emulsion of electrolyte in the gas is generally collected at the outlet of the electrolysis chambers. The emulsion must be treated in a degassing chamber, to separate the gas from the entrained electrolyte.
  • electrolysers of the type defined above are described, in which two degassing chambers are arranged above the stacking of the frames. One of the degassing chambers communicates with the anodic electrolysis chambers, while the other degassing chamber communicates with the cathodic electrolysis chambers.
  • the communication of the degassing chambers with the electrolysis chambers comprises, on the one hand, nozzles opening into the upper part of the electrolysis chambers and serving for the transfer of the emulsion from the electrolysis chambers to the degassing chamber and , on the other hand, a pipe opening into the lower part of the electrolysis chambers and used for recycling, therein, the electrolyte separated from gas.
  • the degassing chambers are also in communication with a fresh electrolyte intake pipe.
  • the invention overcomes this disadvantage of the known electrolysers described above, by providing an electrolyser of the filter press type equipped with at least one degassing chamber for the separation of the entrained electrolyte with the gas produced in the electrolysis chambers. , whose size is reduced and the construction simplified.
  • the invention therefore relates to an electrolyser for the production of a gas, comprising a stack of vertical frames delimiting individual juxtaposed electrolysis chambers which are alternately anodic and cathodic and which each contain at least one electrode, at least one degassing disposed above the stack and connected to each of the anodic (or cathodic) electrolysis chambers by a nozzle opening in the upper part of the electrolysis chamber and by a pipe opening in the lower part of the d chamber electrolysis, and an electrolyte intake pipe in the degassing chamber; according to the invention the nozzle is arranged around the pipe so that the upper end of the nozzle is above the upper end of the pipe, and the pipe communicates with the degassing chamber by means of a Junction conduit crossing the side wall of the pipe and that of the nozzle.
  • the frames form the side wall of the electrolysis chambers. They can have any profile compatible with the construction of an electrolyser of the filter press type. They can either have a circular or polygonal profile, for example square, trapezoidal or rectangular. They must be made of a material which chemically withstands the conditions of electrolysis.
  • the degassing chamber is connected to all of the anodic (or cathodic) electrolysis chambers, in which a gas is generated at the electrode. Its function is to collect the gas produced at the electrodes, to separate the electrolyte entrained with the gas and to recycle this electrolyte in the electrolysis chambers.
  • the degassing chamber is also connected to a fresh electrolyte intake pipe and thus serves as a transit chamber for supplying the electrolysis chambers with fresh electrolyte.
  • the electrolyser may comprise two degassing chambers, one of these being in communication with the anodic electrolysis chambers, while the other is connected to the cathode electrolysis chambers.
  • the connection of the degassing chamber with the electrolysis chambers comprises nozzles which are in communication with the upper part of the electrolysis chambers and pipes which are in communication with the lower part of said chambers.
  • the upper part of the electrolysis chamber is understood to mean the upper half of its height; by lower part of the electrolysis chamber is meant the lower half of its height.
  • the nozzles are used for the passage of gas from the electrolysis chambers into the degassing chamber, while the pipes are used to supply the electrolysis chambers with fresh electrolyte and to recycle there the electrolyte separated from the gas in the degassing chamber.
  • the nozzle for each electrolysis chamber which is connected to the degassing chamber, the nozzle is arranged around the pipe and its upper end or edge is located at a level higher than that of the upper end of the pipe.
  • a junction conduit crossing the wall of the nozzle and that of the pipe puts the latter in communication with the degassing chamber.
  • the electrolyte is established at the abovementioned junction conduit so that the electrolysis chambers are completely filled with electrolyte.
  • the gas leaving the electrolysis chambers enters the degassing chamber via the nozzles, the electrolyte which separates from the gas at the outlet of the nozzles falls back into the degassing chamber where it mixes with the fresh electrolyte coming from the pipe. intake, and the electrolyte mixture passes through each pipe via the aforementioned junction pipe and is thus introduced into the electrolysis chambers.
  • the junction conduit between the pipe and the degassing chamber is obtained by joining a part of the wall of the pipe against a part of the wall of the nozzle and by drilling an opening through the joined walls.
  • the degassing chamber contains a horizontal or oblique partition, which is crossed by the nozzles so as to form a baffle on the electrolyte circuit between the outlet of the nozzles and its entry into the pipe.
  • the baffle has the effect of lengthening the circuit of the electrolyte in the degassing chamber, which improves the homogeneity of the mixture of the electrolyte fractions leaving the nozzles.
  • the nozzle opens into a channel delimited inside an upper horizontal beam of the frame of the electrolysis chamber, and the pipe opens into a channel delimited a lower horizontal beam of said frame, the two channels being in communication with the electrolysis chamber.
  • the two channels are connected by vertical tubes, located in the electrolysis chamber.
  • the vertical tubes have a double function. On the one hand, they participate in the circulation of the electrolyte in the electrolysis chamber; on the other hand, they constitute spacers reinforcing the rigidity of the electrolysis chamber and of the electrode.
  • the arrangement of the nozzle around the pipe considerably reduces the space requirement and makes it possible, in accordance with an advantageous embodiment of the invention, to produce the degassing chamber in the form of an enclosure tubular, arranged transversely to the frames.
  • the electrolyser according to the invention is suitable for all electrolysis processes in which a gas is generated in a at least part of the electrolysis chambers.
  • the invention applies very particularly to electrolysers for the production of chlorine and aqueous solutions of sodium hydroxide, in which the anodic electrolysis chambers are separated from the cathodic electrolysis chambers by ionic separators.
  • the ionic separators used in the electrolysers according to the invention are sheets interposed between the electrolysis chambers and made of a material capable of being traversed by an ion current during the operation of the electrolyser. They can be either diaphragms permeable to aqueous electrolytes or membranes with selective permeability.
  • diaphragms which can be used in electrolysers according to the invention are asbestos diaphragms, such as those described in patent US-A-1855497 (STUART) and in patents FR-A-2400569, EP-A-1644 and EP -A-18034 (SOLVAY & Cie) and diaphragms made of organic polymers, such as those described in patents FR-A-2170247 (IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES PLC) and in patents EP-A-7674 and EP-A-37140 ( SOLVAY & Cie).
  • asbestos diaphragms such as those described in patent US-A-1855497 (STUART) and in patents FR-A-2400569, EP-A-1644 and EP -A-18034 (SOLVAY & Cie)
  • diaphragms made of organic polymers such as those described in patents FR-A-2170247 (IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES PLC
  • membranes with selective permeability is understood to mean thin, non-porous membranes comprising an ion-exchange material.
  • the choice of the material constituting the membranes and of the ion exchange material will depend on the nature of the electrolytes subjected to the electrolysis and on the products which it is sought to obtain.
  • the material of the membranes is chosen from those which are capable of withstanding the thermal and chemical conditions normally prevailing in the electrolyser during electrolysis, the ion-exchange material being chosen from anion-exchange materials or cation exchange materials, depending on the electrolysis operations for which the electrolyser is intended.
  • membranes which are well suited are cationic membranes in fluoropolymer, preferably perfluorinated, containing cationic functional groups derived from sulfonic acids, carboxylic acids or phosphonic acids or mixtures of such functional groups.
  • membranes of this type are those described in patents GB-A-1497748 and GB-A-1497749 (ASAHI KASEI KOGYO KK), GB-A-1518387, GB-A-1522877 and US-A-4126588 (ASAHI GLASS COMPANY LTD) and GB-A-1402920 (DIAMOND SHAMROCK CORP.).
  • Membranes particularly suitable for this application of the cell according to the invention are those known under the names "NAFION” (DU PONT DE NEMOURS & Co) and "FLEMION” (ASAHI GLASS COMPANY LTD).
  • the invention is specifically applied to monopolar electrolysers of the filter press type with cationic membranes, for the production of chlorine, hydrogen and aqueous solutions of sodium hydroxide by electrolysis of aqueous solutions of chloride of sodium.
  • the electrolyser shown in FIGS. 1 to 3 is formed by a stack of alternately anodic 1 and cathodic 2 vertical frames. Selective permeability membranes 3 are interposed between frames 1 and 2 to delimit alternately anodic electrolysis chambers 4 and cathodic 5, containing electrodes.
  • Frames 1 and 2 have a rectangular cross section. They are formed of two vertical uprights 6 welded to two horizontal rails 7. In the case of anode frames 1, the uprights 6 and the rails 7 are made of titanium, while in the case of cathode frames 2, they are made of nickel.
  • the electrodes are of the type described in Belgian patent application 08900867 (SOLVAY & Cie). They each comprise a pair of vertical sheets 8 of expanded metal, arranged on either side of several horizontal metal bars 9.
  • the sheets 8 are welded to vertical profiles 10 formed from metal strips folded in U or ⁇ .
  • the profiles 10 are welded to the horizontal bars 9 and these are welded to the uprights 6 of the frames, which they pass through. They are fixed together to a junction bar 11, intended to be coupled to a current source.
  • the bars 9 and the profiles 10 thus cooperate in the coupling of the sheets 8 to the current source and to the support of these sheets inside the electrolysis chamber.
  • the material of the sheets 8, the bars 9 and the vertical profiles 10 depends on the destination of the electrode.
  • the sheets 8 are made of titanium and carry an electrically conductive coating, at low overvoltage for the electrochemical oxidation of chloride ions, the bars 9 comprise a copper core jacketed in a titanium envelope and the vertical sections 10 are made of titanium.
  • the sheets 8 are made of nickel, the bars 9 include a copper core lined in a nickel casing and the vertical sections 10 are made of nickel.
  • the stack of frames 1 and 2 and membranes 3 is retained between two end flanges 12, connected by tie rods not shown, seals 13 ensuring the seal.
  • the side members 7 of the frames 1 and 2 are hollow, so as to delimit internal channels of square or rectangular section, respectively 14 in the case of the lower side member and 15 in the case of the upper side member.
  • Channels 14 and 15 communicate with the electrolysis chambers 4 and 5, via openings 16 made in the wall of the side members.
  • the two channels 14 and 15 are also connected by vertical tubes 27, disposed inside the electrolysis chamber, between the two sheets 8 of the electrode.
  • a degassing chamber 17 is arranged above the stack. It has the form of a horizontal tubular enclosure, arranged transversely with respect to the frames 1 and 2.
  • the degassing chamber 17 communicates with the lower channel 14 of each anode chamber 4 by means of a vertical pipe 18 closed at its upper end and pierced with a lateral opening 19. It also communicates with the upper channel 15 via a vertical nozzle 20.
  • the nozzle 20 is arranged around the pipe 18, so that its upper edge is located at a level higher than that of the upper edge of the pipe 18.
  • Figure 3 shows, in horizontal cross section, the assembly of the pipe 18 and the nozzle 20.
  • the pipe 18 and the nozzle 20 have a rectangular cross section and are obtained by bending a titanium sheet.
  • the nozzle 20 is applied against the face of the pipe 18, in which the opening 19 is pierced.
  • An opening 21 is pierced through the wall of the nozzle 20, opposite the opening 19 of the pipe 18, so that the pipe 18 communicates with the degassing chamber via the two openings 19 and 21.
  • the nozzles pass through a horizontal partition 22. Under the partition 22, is disposed a horizontal tube 23 pierced with openings 24.
  • the tube 23 passes through the end wall of the degassing chamber , to be connected to an intake duct (not shown) of an aqueous solution of sodium chloride.
  • a tube 25 opens into the upper part of the degassing chamber. It is used to evacuate the chlorine produced during electrolysis.
  • the electrolyser may include a second degassing (not shown), similar to the degassing chamber 17 and connected to the cathode chambers 5 by pipes and nozzles similar to pipes 18 and nozzles 20.
  • an aqueous solution of sodium chloride is introduced into the degassing chamber 17 via the tube 23.
  • the sodium chloride solution in the degassing chamber 17 reaches the level openings 19 and 21, it passes into the anode electrolysis chambers, via the pipes 18, the lower channels 14 and the openings 16 thereof.
  • Chlorine is generated on the sheets 8 of the anodes and passes into the degassing chamber going up through the electrolyte in the chambers 4, the channels 15 and the nozzles 20.
  • the electrolyte entrained with the chlorine separates from it and falls back into the degassing chamber, where it mixes with the fresh electrolyte coming from the tube 23.
  • the partition 22 creates a baffle lengthening the path traveled by the electrolyte separated from the chlorine, which guarantees better homogeneity of the sodium chloride solution introduced into the anode electrolysis chambers 4.
  • the chlorine separated from the electrolyte escapes from the degassing chamber through the orifice 25.
  • a tube 26 in communication with the channels 14 anode chambers 4 are withdrawn, a fraction of electrolyte corresponding to the quantity introduced by the intake tube 23.
  • the vertical tubes 27 produce a double function. On the one hand, they serve to cause an internal circulation of electrolyte inside the electrolysis chambers; on the other hand, they constitute stiffeners between the sheets 8 of the electrodes, opposing a deformation of these sheets under the effect of the pressure prevailing in the electrolysis chambers.
  • the vertical tubes 27 therefore make it possible to produce very large width electrolysis chambers, without fear of a deflection of the sheets 8 of the electrodes.
  • the degassing chamber is formed by a stack of juxtaposed tubular sections, compressed between two end flanges.
  • each section of the degassing chamber to a frame 1 of the electrolyser, so as to produce a unitary assembly.
  • Figure 4 shows such a unitary assembly. It includes an anode frame 1, a section 17 'of the degassing chamber 17, a section 22' of the partition 22, a pipe 18 and a nozzle 20. The cohesion of the unitary assembly is ensured by the nozzle 20 at which the frame 1 and the sections 17 ′ and 22 ′ are welded.

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Abstract

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). <IMAGE>

Description

    SOLVAY & Cie (Société 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 électrodes sont disposées verticalement. Des membranes à perméabilité sélective ou des diaphragmes perméables aux électrolytes peuvent être 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 d'électrolyte dans le gaz. L'émulsion doit être traitée dans une chambre de dégazage, pour séparer le gaz de l'électrolyte entraîné.
  • Dans les documents EP-A-0052880 et EP-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'électrolyse cathodiques. La communication des chambres de dégazage avec les chambres d'électrolyse comprend, d'une part, des buses débouchant 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 inférieure des chambres d'électrolyse et servant au recyclage, dans celles-ci, de l'électrolyte 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 complique la construction de l'électrolyseur.
  • L'invention remédie à cet inconvénient des électrolyseurs connus décrits plus haut, en fournissant un électrolyseur du type filtre-presse équipé d'au moins une chambre de dégazage pour la 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 reliée à chacune des chambres d'électrolyse anodiques (ou cathodiques) par une buse débouchant dans la partie supérieure de la chambre d'électrolyse et par un tuyau débouchant dans la partie inférieure de la chambre d'électrolyse, et une conduite d'admission d'électrolyte dans la chambre de dégazage; selon l'invention la buse est disposée autour du tuyau de telle sorte que l'extrémité supérieure de la buse soit au-dessus de l'extrémité supérieure du tuyau, et le tuyau communique avec la chambre de dégazage par l'intermédiaire d'un conduit de Jonction 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 être réalisés en un matériau qui résiste chimiquement aux conditions de l'électrolyse.
  • La chambre de dégazage est reliée à l'ensemble des chambres 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 gaz 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 entend par partie supérieure de la chambre d'électrolyse, la moitié supérieure de sa hauteur; on entend par partie inférieure de la chambre d'électrolyse, la moitié inférieure de sa hauteur. Les buses servent au passage du gaz des chambres d'électrolyse dans la chambre de dégazage, tandis que les tuyaux servent à alimenter les chambres d'électrolyse en électrolyte frais et à y recycler l'électrolyte séparé du gaz dans la chambre de dégazage.
  • Selon l'invention, pour chaque chambre d'électrolyse qui est reliée à la chambre de dégazage, la buse est diposée 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 jonction 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 jonction précité de sorte que les chambres d'électrolyse sont entièrement remplies d'électrolyte. Le gaz sortant des chambres d'électrolyse 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'électrolyseur 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 accolées. Cette forme de réalisation de l'invention facilite la construction de l'électrolyseur.
  • Dans une forme de réalisation particulière de l'électrolyseur selon l'invention, la chambre de dégazage contient une cloison horizontale ou oblique, qui est traversée par les buses de manière à former une chicane sur le circuit de l'électrolyte entre la sortie des buses et son entrée dans le tuyau. Dans cette forme de réalisation de l'invention, la chicane a pour effet d'allonger le circuit de l'électrolyte dans la chambre de dégazage, 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 débouche dans un canal délimité à l'intérieur d'un longeron horizontal supérieur du cadre de la chambre d'électrolyse, et le tuyau débouche 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'invention, les tubes verticaux ont une double fonction. D'une part, ils participent à la circulation de l'électrolyte dans la chambre d'électrolyse; d'autre part, ils constituent des entretoises renforçant la rigidité de la chambre d'électrolyse et de l'électrode.
  • Dans l'électrolyseur selon l'invention, la disposition de la buse autour du tuyau réduit considérablement 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'electrolyse dans lesquels on génère un gaz dans une 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 séparateurs ioniques. Les séparateurs ioniques utilisés dans les électrolyseurs selon l'invention sont des feuilles interposées entre les chambres d'électrolyse et réalisées en un matériau susceptible d'être traversé par un courant ionique pendant le fonctionnement de l'électrolyseur. Ils peuvent être indifféremment des diaphragmes perméables aux électrolytes aqueux ou des membranes à perméabilité sélective.
  • Des exemples de diaphragmes utilisables dans les électrolyseurs selon l'invention sont des diaphragmes en amiante, tels que ceux décrits dans le brevet US-A-1855497 (STUART) et dans les brevets FR-A-2400569, EP-A-1644 et EP-A-18034 (SOLVAY & Cie) et des diaphragmes en polymères organiques, tels que ceux décrits dans les brevets FR-A-2170247 (IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES PLC) et dans les brevets EP-A-7674 et EP-A-37140 (SOLVAY & Cie).
  • On entend, par membranes à perméabilité 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 électrolytes soumis 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 les matières échangeuses d'anions ou les matières échangeuses de cations, en fonction des opérations d'électrolyse auxquelles l'électrolyseur est destiné.
  • Par exemple, dans le cas d'électrolyseurs destinés à l'électrolyse 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 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-1522877 et US-A-4126588 (ASAHI GLASS COMPANY LTD) et GB-A-1402920 (DIAMOND SHAMROCK CORP.). Des membranes particulièrement adaptées à cette application de la cellule selon l'invention sont celles connues sous les noms "NAFION" (DU PONT DE NEMOURS & Co) et "FLEMION" (ASAHI GLASS COMPANY LTD).
  • Des particularités et détails de l'invention 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 figure 2 est une coupe verticale selon le plan II-II de la figure 1;
    • La figure 3 montre un détail de l'électrolyseur des figures 1 et 2, à grande échelle 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 tronçon unitaire d'une autre forme de réalisation de l'électrolyseur selon l'invention.
  • Dans ces figures, de mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
  • Dans la description qui suit, l'invention est spécifiquement appliquée aux électrolyseurs monopolaires du type filtre-presse à membranes cationiques, pour la production de chlore, d'hydrogène et de solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium par électrolyse 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 2, 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 soudées à des profilés verticaux 10 formés de feuillards métalliques pliés en U ou en Ω. Les profilés 10 sont soudés aux barreaux horizontaux 9 et ceux-ci sont soudés aux montants 6 des cadres, qu'ils traversent. Ils sont fixés ensemble à 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 8 à la source de courant et au support de ces tôles à l'intérieur de la chambre d'électrolyse.
  • Le matériau 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 représentés, des joints 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'ouvertures 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'empilage. Elle a la forme d'une enceinte tubulaire horizontale, disposée transversalement par rapport aux cadres 1 et 2. La 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 verticale 20. La buse 20 est disposée autour du tuyau 18, de telle sorte que son arête supérieure soit située à un niveau supérieur à celui de l'arête supérieure du tuyau 18.
  • La figure 3 montre, en section transversale horizontale, l'assemblage du tuyau 18 et de la buse 20. Le tuyau 18 et la buse 20 ont une section transversale rectangulaire et sont obtenus par pliage d'une tôle en titane. La buse 20 est appliquée 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. Elle sert à évacuer le chlore produit pendant l'électrolyse.
  • L'électrolyseur peut comprendre une seconde chambre de dégazage (non représentée), similaire à la chambre de dégazage 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'électrolyseur 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 anodiques, via les tuyaux 18, les canaux 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 mélange à l'électrolyte 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 anodiques 4. Le chlore séparé de l'électrolyte s'échappe 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 cathodiques 5. A cet effet, on introduit de l'eau ou une solution aqueuse diluée d'hydroxyde de sodium dans les chambres cathodiques 5, et on extrait de celles-ci, via les canaux inférieurs 14, une fraction d'une solution concentrée d'hydroxyde de sodium, correspondant à la quantité d'eau ou de solution diluée introduite 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 double fonction. D'une part, ils servent à provoquer une circulation interne d'électrolyte à l'intérieur des chambres d'électrolyse; d'autre part, ils constituent des raidisseurs entre les tôles 8 des électrodes, s'opposant à une déformation de ces tôles sous l'effet de la pression régnant dans les chambres d'électrolyse. Les tubes verticaux 27 permettent 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'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 chambre 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 tronçon 17' de la chambre de dégazage 17, un tronçon 22' de la cloison 22, un tuyau 18 et une buse 20. La cohésion de l'ensemble unitaire est assurée par la buse 20 à laquelle sont soudés le cadre 1 et les tronçons 17'et 22'.

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 alternativement 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'électrolyse 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.
  3. Electrolyseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre de dégazage (17) comprend une enceinte tubulaire 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'électrolyte 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 dégazage, dont l'une est reliée aux chambres d'électrolyse anodiques (4) et dont l'autre est reliée aux chambres d'électrolyse cathodiques (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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