WO2003029525A1 - Alimentation electrique des cathodes des cuves a electrolyse chlore-soude - Google Patents

Alimentation electrique des cathodes des cuves a electrolyse chlore-soude Download PDF

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WO2003029525A1
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tank
cathodes
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power supply
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PCT/FR2002/003302
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English (en)
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Michel Pillet
Original Assignee
Amc S.A.R.L.
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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
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections

Definitions

  • the present invention relates to the electrical supply of a diaphragm electrolytic cell and in particular relates to the electrical supply of the cathodes of chlor-soda electrolytic cells.
  • the production of chlorine and sodium hydroxide is done by electrolysis of an aqueous solution of sodium chloride commonly called brine.
  • Three electrolysis methods are used today, electrolysis with diaphragm, electrolysis with membrane and electrolysis with mercury cathode.
  • the present invention relates to diaphragm electrolytic cells (also called cells). They are mainly characterized by the fact that the products formed during the redox chemical reaction do not mix thanks to compartments which isolate between them the cathodes from the anodes. Thus the hydrogen released at the cathode by reduction of the hydrogen ions as well as the sodium hydroxide produced does not come into contact with the chlorine produced at the anode by oxidation of the chloride ions.
  • the outer covering of the cathode in the form of a grid forms the diaphragm, commonly called a finger, and is hydrogen-tight thanks to its coating.
  • the cathode is supplied with electricity over its entire length by means of a stiffener electrically connected by at least one of its ends to the electrolysis tank.
  • a diaphragm electrolytic cell for the manufacture of chlorine generally comprises a certain number of cathodes and anodes in equal numbers interspersed and parallel and is crossed by a current of an intensity ranging from 40,000 to 140,000 A.
  • the current is transmitted to the stiffeners via copper plates welded to the steel walls of the tank with which they are in contact.
  • the walls of the tanks are generally thick for better resistance to corrosion and therefore have a high electrical resistance which proportionally decreases the electrical conductivity through the walls of the tank.
  • the flow of current is also "braking" at the change of copper / steel material.
  • the tank being generally made of steel, copper and steel not having the same expansion coefficients, there are mechanical stresses between these materials, sometimes causing cracks which are harmful for the proper functioning of the tank.
  • the copper outside the tank which supplies the current is exploded or collaminated on the steel of the walls of the tank.
  • This process makes it possible to obtain good results in terms of electrical conductivity of copper / steel contact while reducing the mechanical stresses causing cracks present in traditional copper-to-steel welding processes.
  • the explosion welding process is extremely expensive and its manufacturing time is high on the order of several months.
  • the path traversed by the electricity between the copper plate and the cathode comprises electrical resistances of contact copper / tank then tank / cathode which have the consequence of causing the voltage in the circuit to drop and therefore being at the origin of losses d energy between the current generator and the cathodes to be supplied.
  • the object of the invention is to provide a device for the electrical supply of the cathodes of an electrolysis tank with a chlorine-soda diaphragm which removes the resistances of electrical contact between the copper plate used for the transport of the current. to the cathodes of the electrolytic cell.
  • the object of the invention therefore relates to a device for electrically supplying cathodes to a diaphragm cell for chlorine-sodium hydroxide electrolysis consisting of an electrolytic cell and a plurality of cathodes and anodes in equal numbers , alternating and parallel to each other, the device comprising an electrical connection element composed of at least one copper plate electrically connected to the cathodes by means of electrical connection means.
  • the copper plate is directly in contact with the electrolyte of the electrolytic cell, the cathodes being connected directly to the copper plate by means of the electrical connection means.
  • FIG. 1 is a perspective view of the electrolysis tank with its electrical connection element
  • Figure 2 is a side view of the electrolytic cell showing the ends of the cathodes welded to the copper plate
  • Figure 3 is a cross section of the cell shown in Figure 1, along the axis AA.
  • the steel tank 10 seen from the side contains n identical cathodes 12 each connected to a stiffener which transmits the current to the cathode.
  • the anodes are generally inserted between the cathodes.
  • An element 6 generally made of copper, which provides the electrical connection between the current source and the cathodes to be supplied comprises a plate 7 external to the tank and at least one copper plate 16 passing through the wall 9 of the tank through the opening 17 so as to be parallel to the side wall 11 of the tank, on the inside side of the tank.
  • the element 6 may also include another copper plate 26 in addition to the plate 16, and located parallel to the side wall of the tank opposite the wall 11 on the inside of the tank.
  • the element 6 can only consist of the plate 16 electrically supplied directly from the outside.
  • the plates 16 and 26 pass through the side wall 9 of the tank, in leaktight manner, through the respective openings 17 and 27 provided for this purpose.
  • the sealing of the opening 17 and the opening 27 for the passage of the copper plates 16 and 26 through the wall 9 of the tank is ensured by conventional means such as seals.
  • the electrolysis tank is shown from the side facing its side wall 11.
  • the cathodes 12-1 to 12 -n are each electrically and mechanically linked to a stiffener 14-1 to 14 -n.
  • Each stiffener 14, inside a cathode 12 is electrically connected by one of its ends to the copper plate 16 located inside the tank 10 parallel to the side wall 11.
  • the element 16 provides the electrical connection between the current source and all the cathodes.
  • the means of electrical connection between the stiffeners 14-1 to 14 -n and the copper plate 16 are welds.
  • FIG. 3 is a partial view of a section of Figure 2 along the axis AA.
  • the plate 16, located parallel to the side wall 11 of the tank passes through the side wall 9 of the tank in leaktight fashion through the opening 17.
  • the plate 16 is located near the wall 11 of the tank. Note that the plate 16 could be in contact with the wall 11 of the tank without affecting the performance of the device according to the invention. Indeed, the plate 16 is immersed in the electrolyte which is at the same potential as the walls of the tank, therefore the contact between the plate 16 and the wall 11 of the tank would not cause voltage drops.
  • the cathodes 12-1 to 12 -n are electrically connected, by means of the stiffeners, to the copper plate 16 which thus ensures the transport of current from the external source to the tank at the cathodes.
  • the device according to the invention eliminates voltage drops due to the passage of current through the walls of the tank through the contact surfaces of different materials such as the steel of the walls of the tank and the copper of the plate.
  • the device according to the invention eliminates the problems associated with the soldering of the copper plate on the tank.
  • the mechanical stresses causing cracks present in copper welding processes on traditional steel and due to the different expansion coefficients of steel and copper no longer exist.
  • the explosion welding process of copper on steel limiting the risk of cracks but extremely time consuming and therefore costly, is no longer necessary.
  • the device for electrically supplying the cathodes of cells with a chlorine-sodium hydroxide electrolysis diaphragm according to the invention therefore has the advantages of a device that is inexpensive and simple to implement industrially while considerably reducing the energy losses due to falls of tension of traditional devices.
  • the copper plate 16 replaces the side wall 11 of the tank or a part of the side wall 11 of the tank.
  • the copper plate is thus welded over its thickness, thanks to a perimeter weld on the steel of the tank.
  • the cathodes are thus connected directly to the copper plate via the electrical connection means as described above.
  • the plate 16 is supplied directly from the outside by a current source coming from a current generator or from another tank.

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Abstract

Dispositif d'alimentation électrique de cathodes (12) d'une cuve à diaphragme d'électrolyse chlore-soude constituée d'une cuve à électrolyse (10) et d'une pluralité de cathodes et d'anodes en nombre égal, alternées et parallèles entre elles, le dispositif comprenant un élément de connexion électrique (6) composé d'au moins une plaque de cuivre (16) reliée électriquement aux cathodes par l'intermédiaire de moyens de connexion électrique. Selon la caractéristique principale de l'invention la plaque de cuivre (16) est directement en contact avec l'électrolyte de la cuve à électrolyse (10), les cathodes étant connectées directement à la plaque de cuivre par l'intermédiaire des moyens de connexion électrique.

Description

Alimentation électrique des cathodes des cuves à électrolyse chlore-soude
Domaine technique La présente invention concerne l'alimentation électrique d'une cuve à électrolyse à diaphragme et concerne en particulier l'alimentation électrique des cathodes des cuves à électrolyse chlore-soude.
Etat de la technique
La production de chlore et d'hydroxyde de sodium se fait par électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de sodium appelée communément saumure. Trois procédés d' électrolyse sont utilisés aujourd'hui, 1 ' électrolyse avec diaphragme, 1 ' électrolyse avec membrane et 1 ' électrolyse à cathode de mercure. La présente invention porte sur les cuves (appelées également cellules) d' électrolyse à diaphragme. Elles sont caractérisées principalement par le fait que les produits formés pendant la réaction chimique d'oxydoréduction ne se mélangent pas grâce à des compartiments qui isolent entres elles les cathodes des anodes. Ainsi l'hydrogène dégagé à la cathode par réduction des ions hydrogène ainsi que 1 ' hydroxyde de sodium produit ne rentre pas en contact avec le chlore produit à l'anode par oxydation des ions chlorure.
L'habillage extérieur de la cathode sous forme de grillage forme le diaphragme, appelé communément doigt, et est étanche à l'hydrogène grâce à son revêtement.
Les revêtements des cathodes traditionnellement en amiante tendent à disparaître, compte tenu de l'interdiction de l'utilisation de l'amiante, au profit de revêtements de substitution qui ont une durée de vie bien supérieure à celle de l'amiante. L'apparition de tels matériaux dans les cuves d' électrolyse à diaphragme a amélioré le rendement des électrolyseurs . Aujourd'hui, grâce à cette innovation, les constructeurs s'intéressent davantage à optimiser les circuits électriques d'alimentation des cuves d' électrolyse .
La cathode est alimentée en électricité sur toute sa longueur grâce à un raidisseur connecté électriquement par au moins une de ses extrémités à la cuve d' électrolyse . Une cuve d' électrolyse à diaphragme pour la fabrication du chlore comporte en général un certain nombre de cathodes et d'anodes en nombre égal intercalées et parallèles et est traversé par un courant d'une intensité allant de 40000 à 140000 A. Le courant est transmis aux raidisseurs par l'intermédiaire de plaques de cuivre soudées aux parois en acier de la cuve avec lesquelles ils sont en contact. Les parois des cuves sont généralement épaisses pour une meilleure résistance à la corrosion et de ce fait présentent une forte résistance électrique qui diminue proportionnellement la conductivité électrique à travers les parois de la cuve. Le passage du courant est également "freiner" au changement de matériau cuivre/acier. De plus, la cuve étant généralement en acier, le cuivre et l'acier n'ayant pas les mêmes coefficients de dilatation, il existe des contraintes mécaniques entre ces matériaux parfois à l'origine de fissurations néfastes pour le bon fonctionnement de la cuve.
Pour améliorer le passage du courant à travers les parois de la cuve vers les cathodes, le cuivre à l'extérieur de la cuve qui apporte le courant est soudé par explosion ou colaminé sur l'acier des parois de la cuve. Ce procédé permet d'obtenir de bons résultats au niveau conductivité électrique de contact cuivre/acier tout en réduisant les contraintes mécaniques à l'origine de fissures présentes dans les procédés de soudage du cuivre sur acier traditionnels. Cependant, le procédé de soudage par explosion est extrêmement coûteux et son délai de fabrication est élevé de l'ordre de plusieurs mois. De tous ces procédés d'alimentation électrique des cathodes par une plaque de cuivre extérieure à la cuve, le principal inconvénient réside dans le fait que le chemin parcouru par l'électricité entre la plaque de cuivre et la cathode comporte des résistances électriques de contact cuivre/cuve puis cuve/cathode qui ont pour conséquence de faire chuter la tension dans le circuit et donc d'être à l'origine de pertes d'énergie entre le générateur de courant et les cathodes à alimenter.
Exposé de l'invention
C'est pourquoi le but de l'invention est de fournir un dispositif d'alimentation électrique des cathodes d'une cuve à électrolyse à diaphragme chlore-soude qui supprime les résistances de contact électrique entre la plaque de cuivre utilisée pour le transport du courant aux cathodes de la cuve à électrolyse. L'objet de l'invention concerne donc un dispositif d'alimentation électrique de cathodes d'une cuve à diaphragme d' électrolyse chlore-soude constituée d'une cuve à électrolyse et d'une pluralité de cathodes et d'anodes en nombre égal, alternées et parallèles entre elles, le dispositif comprenant un élément de connexion électrique composé d'au moins une plaque de cuivre reliée électriquement aux cathodes par l'intermédiaire de moyens de connexion électrique. Selon la caractéristique principale de l'invention la plaque de cuivre est directement en contact avec l'électrolyte de la cuve à électrolyse, les cathodes étant connectées directement à la plaque de cuivre par l'intermédiaire des moyens de connexion électrique.
Brève description des figures
Les buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective de la cuve à électrolyse avec son élément de connexion électrique, la figure 2 est une vue de côté de la cuve à électrolyse montrant les extrémités des cathodes soudées à la plaque de cuivre, la figure 3 est une coupe transversale de la cuve représentée sur la figure 1, selon l'axe A-A.
Description détaillée de l'invention
En référence à la figure 1, la cuve 10 en acier vue de côté, contient n cathodes identiques 12 reliées chacune un raidisseur qui transmet le courant à la cathode. Les anodes, non représentées sur la figure sont généralement intercalées entre les cathodes. Un élément 6 généralement en cuivre, qui assure la connexion électrique entre la source de courant et les cathodes à alimenter comprend une plaque 7 extérieure à la cuve et au moins une plaque de cuivre 16 traversant la paroi 9 de la cuve par l'ouverture 17 de façon a être parallèle à la paroi latérale 11 de la cuve, coté intérieur à la cuve. L'élément 6 peut comprendre également une autre plaque en cuivre 26 en plus de la plaque 16, et située parallèlement à la paroi latérale de la cuve opposée la paroi 11 côté intérieur de la cuve. Selon un autre mode de réalisation, l'élément 6 peut être seulement constitué de la plaque 16 alimentée électriquement directement de l'extérieur. Les plaques 16 et 26 traversent la paroi latérale 9 de la cuve, de façon étanche, par les ouvertures respectives 17 et 27 prévues à cet effet. L'étanchéité de l'ouverture 17 et de l'ouverture 27 pour le passage des plaques de cuivre 16 et 26 à travers la paroi 9 de la cuve est assurée par des moyens classiques tels que des joints d' étanchéité .
Selon la figure 2, la cuve à électrolyse est représentée de côté face à sa paroi latérale 11. Les cathodes 12-1 à 12 -n sont chacune liées électriquement et mécaniquement à un raidisseur 14-1 à 14 -n. Chaque raidisseur 14, à l'intérieur d'une cathode 12 est connecté électriquement par une de ses extrémités à la plaque de cuivre 16 située à l'intérieur de la cuve 10 parallèle à la paroi latérale 11. Ainsi, l'élément 16 assure la connexion électrique entre la source de courant et toutes les cathodes. Selon un des modes de réalisation de l'invention, les moyens de connexion électrique entre les raidisseurs 14- 1 à 14 -n et la plaque de cuivre 16 sont des soudures. De même, la plaque 26 est située à l'intérieur de la cuve parallèle à la paroi de la cuve opposée à la paroi latérale 11 et est connectée électriquement à l'autre extrémité des raidisseurs 14-1 à 14-n. La figure 3 est une vue partielle d'une coupe de la figure 2 selon l'axe A-A. La plaque 16, située parallèlement à la paroi latérale 11 de la cuve traverse de façon étanche la paroi latérale 9 de la cuve par l'ouverture 17. La plaque 16 est située à proximité de la paroi 11 de la cuve. A noter que la plaque 16 pourrait être en contact avec la paroi 11 de la cuve sans pour autant affecter les performances du dispositif selon l'invention. En effet, la plaque 16 baigne dans l'électrolyte qui est au même potentiel que les parois de la cuve, donc le contact entre la plaque 16 et la paroi 11 de la cuve ne provoquerait pas de chutes de tension. Toutes les cathodes 12-1 à 12 -n sont connectées électriquement, par l'intermédiaire des raidisseurs, à la plaque de cuivre 16 qui assure ainsi le transport du courant de la source extérieure à la cuve aux cathodes. Par rapport aux dispositifs traditionnels d'alimentation électrique des cathodes des cuves à électrolyse, dans lesquels l'élément de connexion électrique entre la source de courant et les cathodes est toujours situé à l'extérieur de la cuve, le dispositif selon l'invention supprime les chutes de tension dues au passage du courant à travers les parois de la cuve par les surfaces de contact des différents matériaux tels que l'acier des parois de la cuve et le cuivre de la plaque.
En outre, le dispositif selon l'invention supprime les problèmes liés à la soudure de la plaque de cuivre sur la cuve. D'une part, les contraintes mécaniques à l'origine de fissures présentes dans les procédés de soudage du cuivre sur acier traditionnels et dues aux coefficients de dilatation différents de l'acier et du cuivre n'existent plus. D'autre part, le procédé de soudage par explosion du cuivre sur l'acier, limitant les risques de fissures mais extrêmement long à réaliser et donc coûteux n'est plus nécessaire .
Le dispositif d'alimentation électrique des cathodes des cellules à diaphragme d' électrolyse chlore-soude selon l'invention présente donc les avantages d'un dispositif peu coûteux et simple à mettre en œuvre industriellement tout en diminuant considérablement les pertes énergétiques dues aux chutes de tension des dispositifs traditionnels.
Selon une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, la plaque de cuivre 16 se substitue à la paroi latérale 11 de la cuve ou à une partie de la paroi latérale 11 de la cuve. La plaque de cuivre est ainsi soudée sur son épaisseur, grâce à une soudure périmétrique sur l'acier de la cuve . Les cathodes sont ainsi connectées directement à la plaque de cuivre par l'intermédiaire des moyens de connexion électrique comme décrits précédemment. Dans ce mode de réalisation, la plaque 16 est alimentée directement de l'extérieur par une source de courant provenant d'un générateur de courant ou d'une autre cuve.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'alimentation électrique de cathodes (12-1 à 12 -n) d'une cuve à diaphragme d' électrolyse chlore- soude constituée d'une cuve à électrolyse (10) et d'une pluralité de cathodes et d'anodes en nombre égal, alternées et parallèles entre elles, ledit dispositif comprenant un élément de connexion électrique (6) composé d'au moins une plaque de cuivre (16) reliée électriquement aux cathodes par l'intermédiaire de moyens de connexion électrique ; caractérisé en ce que ladite plaque de cuivre (16) est directement en contact avec l'électrolyte de ladite cuve à électrolyse (10) , lesdites cathodes étant connectées directement à ladite plaque de cuivre par l'intermédiaire desdits moyens de connexion électrique.
2. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1, dans lequel ladite plaque de cuivre (16) se trouve à l'intérieur de ladite cuve à électrolyse (10) .
3. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 2, dans lequel la plaque (16) traverse la cuve de façon étanche par une ouverture (17) dans une première paroi latérale (9) de ladite cuve à électrolyse.
4. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1 dans lequel ladite plaque de cuivre (16) se substitue à une des parois latérales de ladite cuve (10) ou à une partie d'une des parois latérales de ladite cuve (10) .
5. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 , dans lequel un raidisseur (14) à l'intérieur de chaque cathode (12) est relié électriquement et mécaniquement à ladite cathode.
6. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 5, dans lequel les moyens de connexion électrique sont des soudures entre les raidisseurs (14-1 à 14-n) et ladite plaque (16) .
7. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 3, dans lequel l'élément de connexion électrique (6) comprend une plaque (7) extérieure à la cuve et parallèle à ladite première paroi latérale (9) de la cuve, une première plaque (16) intérieure à ladite cuve, traversant la paroi (9) et parallèle à une des deux parois latérales contiguës à ladite première paroi latérale (9) , et une deuxième plaque (26) parallèle à l'autre desdites parois contiguës à la première paroi latérale (9) et traversant ladite première paroi latérale (9) , les extrémités des raidisseurs (14-1 à 14-n) étant connectées électriquement à chacune desdites première et deuxième plaques (16) et (26) .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2604449A1 (fr) * 1986-09-26 1988-04-01 Harzer Apparatewerke Haw Cathode pour les cuves d'electrolyse a diaphragme
EP0337387A1 (fr) * 1988-04-12 1989-10-18 OxyTech Systems, Inc. Assemblage de cathode cellule à diaphragme

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