FR2461021A1 - Cellule electrolytique et electrolyseur bipolaire - Google Patents

Abstract

CELLULE ELECTROLYTIQUE. ELLE COMPORTE UNE PLURALITE D'ELEMENTS ANODIQUES CREUX 21 ELECTRIQUEMENT EN PARALLELE LES UNS PAR RAPPORT AUX AUTRES ET UNE PLURALITE D'ELEMENTS CATHODIQUES CREUX 41 ELECTRIQUEMENT EN PARALLELE LES UNS PAR RAPPORT AUX AUTRES. CHACUN DES ELEMENTS ANODIQUES EST INTERCALE ENTRE UNE PAIRE D'ELEMENTS CATHODIQUES ET SEPARE DE CEUX-CI PAR UNE FEUILLE DE SEPARATION PLANE PERMEABLE AUX IONS 61 ET CHACUN DES ELEMENTS CATHODIQUES EST INTERCALE ENTRE UNE PAIRE D'ELEMENTS ANODIQUES ET SEPARE DE CEUX-CI PAR UNE FEUILLE DE SEPARATION PLANE PERMEABLE AUX IONS 61. LES ELEMENTS DE L'ELECTRODE SONT MAINTENUS SOUS COMPRESSION POUR FOURNIR UNE CELLULE ELECTROLYTIQUE ETANCHE A L'ELECTROLYTE. APPLICATION AUX ELECTROLYSEURS BIPOLAIRES.

Description

1.

La présente invention concerne les cellules élec-

trolytiques et les électrolyseurs bipolaires comportant une

pluralité de telles cellules.

Pour la fabrication industrielle de chlore et d'-

hydroxydes de métaux alcalins, on utilise une cellule élec-

trolytique (ou cellule d'électrolyse) comportant un compar-

timent à anolyte séparé d'un compartiment à catholyte par un

séparateur perméable aux ions. Le compartiment à anolyte com-

porte un anolyte acide contenant d'environ 125 à environ 250 g par litre de chlorure de sodium ou d'environ 160 à environ 320 g par litre de chlorure de potassium, à un pH d'environ

2,5 à environ 5,5, du chlore se dégageant à l'anode. Le com-

partiment à catholyte comporte un catholyte alcalin renfer-

mant plus d'une mole par litre d'hydroxyde de métal alcalin,

de l'hydrogène se dégageant à la cathode.

Le séparateur sépare l'anolyte acide du catholyte alcalin, évitant ainsi la formation de chlorates de métaux alcalins. Le séparateur peut être un séparateur synthétique, tel qu'un diaphragme microporeux ou une membrane permionique

(c'est-à-dire à perméabilité sélective vis-à-vis des ions).

En variante, le séparateur peut être un diaphragme en amian-

te. Les diaphragmes microporeux, c'est-à-dire ceux

sous forme de films fluorocarbonés microporeux, et les dia-

phragmes en amiante, notamment des diaphragmes en amiante renforcés par de la résine, permettent à l'ion chlorure de diffuser à travers le séparateur en fournissant une liqueur

de cellule d'hydroxyde de métal alcalin et de chlorure de mé-

tal alcalin, par exemple environ 10 à 15 % en poids d'hydro-

xyde de métal alcalin et environ 15 à 25 % en poids de chlo-

rure de métal alcalin.

En variante, le séparateur peut être une membrane permionique synthétique, à savoir une membrane permionique sélective vis-à-vis des cations. Les membranes permioniques sélectives vis-à-vis des cations, utiles dans l'électrolyse chlore-alcali, comprennent des résines fluorocarbonées dotées

de groupes de blocage anioniques pendants, sélectifs vis-à-

vis des cations, tels que des groupes acide carboxylique, des groupes acide sulfonique, des groupes acide phosphonique, 2. des groupes acide phosphorique, leurs dérivés tels que des

produits de réaction avec des amides, des amines, des al-

cools et similaires, et leurs précurseurs.

L'art antérieur fait état de l'utilisation de dia-

phragmes en amiante déposés sur une cathode perméable à l'é- lectrolyte, en particulier une cathode comportant des bords

arrondis et une forme complexe. On préfère cependant utili-

ser des séparateurs synthétiques tels que les matières fluo-

rocarbonées décrites ci-dessus et les matières en amiante renforcées par une résine fluorocarbonée telles que décrites également ci-dessus. Les matières fluorocarbonées utiles

pour le façonnage des séparateurs synthétiques sont diffici-

les à transformer en les formes nécessaires pour des batte-

ries d'électrodes en forme de doigts. De même, les diaphrag-

mes en amiante renforcés par de la résine, bien qu'ils

soient plus faciles à façonner dans les configurations néces-

saires pour des batteries d'électrodes en forme de doigts, peuvent avoir des propriétés plus uniformes lorsqu'elles sont préformées avant installation. La présence de raccords, d'agrafes et de contours exige des températures élevées, des

réactifs puissants, des solvants, etc, tout cela pouvant a-

voir un effet défavorable sur les électrodes. On préfère en particulier un dessin de cellule électrolytique qui élimine de tels raccords, agrafes et joints tout en conservant une

capacité élevée.

Une conception de cellule électrolytique particu-

lièrement satisfaisante destinée à des séparateurs synthéti-

ques et à des diaphragmes en amiante renforcés par de la ré-

sine doit être celle fournissant un joint étanche à l'élec-

trolyte tout en évitant un agrafage complexe, un-scellement et un raccord après assemblage. On a trouvé à présent qu'une

conception particulièrement satisfaisante assurant les avan-

tages de surface d'électrode élevée des électrodes en forme de doigts, la facilité d'assemblage de modèles de cellule

plate et la quasi-suppression d'agrafes, de joints et de rac-

cords dans la membrane, est celle o les unités d'électrode

se présentent sous forme de cadres de compartiment périphéri-

ques rectangulaires ouverts sur deux surfaces principales op-

posées, avec une électrode métallique plane sur chacune des 3. deux surfaces principales ouvertes opposées, et des moyens

pour l'alimentation en électrolyte, la récupération d'élec-

trolyte, la récupération du gaz et une circulation d'élec-

trolyte intra-électrodes dans chaque unité d'électrode. La cellule électrolytique comporte une pluralité de telles uni-

tés d'électrode, à la fois des unités anodiques et cathodi-

ques, intercalées les unes entre les autres et électriquement en parallèle avec d'autres éléments de même polarité, comme

dans une cellule en forme de doigts.

L'invention est maintenant décrite plus en détail,

en référence aux planches de dessins annexés, dans lesquel-

les.

Figure 1 est une vue isométrique d'un électroly-

seur selon l'invention;

Figure 2 est une vue isométrique éclatée d'un é-

lément d'anode, d'un élément de cathode, d'un joint associé et du séparateur;

Figure 3 est une vue isométrique en coupe partiel-

le de l'unité de cathode de la cellule électrolytique selon l'invention;

Figure 4 est une vue isométrique en coupe partiel-

le d'une unité anodique de la cellule électrolytique selon l'invention; Figure 5 est une vue isométrique des moyens de

connexion de courant de l'électrolyseur utilisant les cellu-

les électrolytiques selon l'invention; Figure 6 est une vue en coupe plane de la cellule électrolytique selon l'invention;

Figure 7 est une vue isométrique d'un autre exem-

ple selon l'invention, utilisant des éléments bipolaires.

Figure 8 est une vue isométrique éclatée de l'e-

xemple selon l'invention utilisant des éléments bipolaires.

Figure 9 est une vue isométrique en coupe partiel-

le d'un élément comportant une sous-unité anodique et une sous-unité cathodique, telles qu'utilisées dans le mode de

réalisation bipolaire.

Figure 10 est une vue en coupe du dessus de l'e-

xemple selon l'invention utilisant des éléments bipolaires.

La cellule électrolytique considérée ici se carac-

4. térise en ce qu'elle comprend des séparateurs sensiblement plans, non contournés, non agrafés et non soudés entre les compartiments anodiques et les compartiments cathodiques

des cellules électrolytiques individuelles.

La structure de cellule d'un exemple selon l'in- vention utilisant des électrodes monopolaires est représentée

sur les figures 1 à 6. Ainsi qu'il apparaît, la série de cel-

lules électrolytiques 1 comprend des cellules électrolytiques individuelles 11. Une cellule électrolytique individuelle 11

possède des éléments anodiques individuels 21 montés élec-

triquement en parallèle et des éléments cathodiques indivi-

duels adjacents 41 montés électriquement en parallèle. Un é-

lément anodique individuel 21 est intercalé entre une paire

d'éléments cathodiques 41, et un élément cathodique indivi-

duel 41 est intercalé entre une paire d'éléments anodiques adjacents 21. Une feuille de séparation perméable aux ions

61, à savoir un diaphragme en amiante, un diaphragme en ami-

ante renforcé par de la résine, une membrane permionique sé-

lective vis-à-vis des cations-ou un diaphragme microporeux synthétique, est intercalé entre chaque élément anodique 21 et l'élément cathodique adjacent41 sous forme d'une feuille

unique plane, sans pliures, agrafes, soudures ou contours.

Le circuit de saumure comprend le collecteur d'a-

limentation de saumure 101, qui alimente les éléments anodi-

ques individuels 21 par l'intermédiaire des canalisations de

saumure 31. Le chlore est récupéré à partir des éléments a-

nodiques individuels 21, grâce à la canalisation de chlore

33,en direction du collecteur de chlore, tandis que la saumu-

re épuisée est récupérée à partir des éléments anodiques in-

dividuels 21, grâce à la canalisation de saumure 35,en di-

rection du collecteur de saumure épuisée 105. Dans un exemple préféré, la tuyauterie d'alimentation de saumure 31 envoie de lasaumure dans une descente intérieure 29, moyennant quoi de la saumure est introduite au voisinage du fond de l'unité

anodique 21 soumise à un effet ascendant entre les anodes 37.

Le circuit eau-hydroxylecomprend un collecteur

d'eau 107, qui alimente en eau les canalisations d'eau indi-

viduelles 51 destinées à chaque élément cathodique individuel

41. L'hydrogène est récupéré à partir de cet élément cathodi-

5. que individuel 41 grâce à la canalisation d'hydrogène 53,en

direction du collecteur d'hydrogène 109, tandis que la li-

queur de cellule à base de catholyte est récupérée à partir des éléments cathodiques individuels 41 par l'intermédiaire de la canalisation d'hydroxyle 55 en direction du collecteur d'hydroxyle 111. Dans un exemple préféré, l'alimentation en eau est dirigée vers une descente interne 49, moyennant quoi l'eau est effectivement introduite au voisinage du fond du compartiment à catholyte et est soumise à un effet ascendant

entre les cathodes 57.

La conductivité électrique est assurée à partir

de la barre omnibus anodique 91 à travers les éléments ano-

diques 21 en direction des éléments cathodiques 41, puis de

là à travers les barres omnibus cathodiques 93.

Un autre exemple de la cellule électrolytique en-

visagée ici est représenté sur les figures 7-10. Ainsi qu'il

apparaît sur ces figures, une série de cellules électrolyti-

ques 201 comprend une pluralité d'électrolyseurs à deux cel-

lules 205, chacune comportant une cellule individuelle 211.

L'électrolyseur à deux cellules 205 comprend des unités bipo-

laires 219 qui sont parallèles l'une par rapport à l'autre

et comportent une demi-cellule anodique, à savoir une sous-

unité anodique 221,et une demi-cellule cathodique, à savoir

une sous-unité cathodique 241. Des demi-cellules monopolai-

res, à savoir les unités monopolaires 221A et 241A, sont in-

terposées entre chaque unité d'électrode bipolaire 219. Les unités monopolaires 221A et 241A sont disposées bout à bout

et isolées électriquement ltune de l'autre. Les unités mono-

polaires anodiques 221A sont parallèles à, orientées vers,

et espacées des demi-cellules cathodiques, à savoir les sous-

unités cathodiques 241 des unités bipolaires 219. Les unités monopolaires cathodiques 241A sont parallèles à, tournées vers et espacées des demicellules anodiques, à savoir les sous-unités anodiques 221 des unités bipolaires adjacentes

219. Les unités anodiques 221 sont séparées des unités catho-

diques 241A leur faisant face par des feuilles-de séparation perméables aux ions 271, et les sous-unités anodiques 221A sont séparées des unités cathodiques individuelles 241 leur faisant face par les feuilles de séparation perméables aux 6.

ions 271.

Le circuit saumure-chlore, pour le mode de réali-

sation bipolaire, comprend un collecteur de saumure 301 qui alimente les canalisations de saumure individuelles 231. Le chlore est récupéré à partir des éléments anodiques indivi-

duels 221, 221A grâce aux canalisations de chlore individuel-

les 233 aboutissant au collecteur de chlore 303, tandis que

la saumure appauvrie est récupérée à partir des éléments ano-

diques individuels 221 et 221A par l'intermédiaire des cana-

lisations de saumure appauvrie 235 conduisant au collecteur

de saumure appauvrie 305.

Le circuit eau-hydroxyle alimente les éléments

cathodiques individuels 241, 241A à travers le collecteur d'-

eau 307 en direction des canalisations d'eau 251. L'hydrogène est récupéré à partir des éléments cathodiques individuels 241, 241A grâce aux canalisations d'hydrogène individuelles

253 menant au collecteur d'hydrogène 309. La liqueur de cel-

lule à base de catholyte, c'est-à-dire soit la solution d'hy-

droxyde soit la solution hydroxyde-chlorure, est récupérée à partir des éléments cathodiques individuels 241, 241A, par

l'intermédiaire des canalisations individuelles 255 débou-

chant sur le collecteur d'hydroxyle 311.

Le circuit électrique du modèle bipolaire se fait

à travers les barres omnibus anodiques 291 vers l'unité mono-

polaire anodique 221A, à travers l'unité bipolaire 219, puis à travers l'unité monopolaire cathodique 241A en direction des barres omnibus cathodiques 293. Le circuit spécifique va

des barres omnibus anodiques 291 vers l'unité monopolaire a-

nodique 221A, de là vers l'unité bipolaire cathodique 241 à

travers l'élément bipolaire 261 en direction de l'élément a-

nodique 221, puis vers l'élément monopolaire cathodique 241A

et sort à travers les barres omnibus cathodiques 293.

Si l'on considère à présent les composants de cel-

lule individuelle, la série de cellules électrolytiques mono-

polaires 1 comprend les cellules électrolytiques individuel-

les 11 représentées sur la figure 1. Les cellules individuel-

les 11 comportent des éléments anodiques individuels 21, qui - sont montés électriquement en parallèle les uns par rapport aux autres, et des éléments cathodiques individuels 41, qui 7. sont montés électriquement en parallèle les uns par rapport

aux autres. Les éléments anodiques individuels 21 sont inter-

calés entre les éléments cathodiques individuels 41 et les

éléments cathodiques individuels 41 sont placés entre les é-

léments anodiques individuels 21, avec une feuille de sépa-

ration perméable aux ions 61 entre une anode 21 et une ca-

thode adjacente 41. La feuille de séparation perméable aux

ions 61 est une feuille plane caractérisée par la quasi-ab-

sence de plis, d'agrafages, de soudures ou de circonvolu-

tions.

L'unité anodique individuelles 21 comprend un ca-

dre de compartiment rectangulaire périphérique 23. Le cadre 23, ayant la forme d'un cadre de tableau, est ouvert sur les deux surfaces principales opposées de manière à supporter l'électrode anodique 37. Le cadre 23 comporte une paire de cadres à canaux verticaux 25 qui, dans un exemple préféré,

peuvent être en forme de "U". Au moins un des cadres à ca-

naux verticaux 25 est concave par rapport à l'intérieur du

cadre 23. Dans un autre mode de réalisation préféré, le ca-

dre à canal concave 25 comporte un dispositif à plaque 27 espacé du bord du cadre à canal vertical 25 et parallèle à celui-ci de manière à fournir une descente 29. Le cadre de compartiment rectangulaire périphérique 23 comprend en outre

une paire de cadres à canaux horizontaux 25, qui peuvent a-

voir la forme d'un "U" comme décrit ci-dessus et qui peuvent

être tous les deux concaves ou convexes, ou convexe et con-

cave, par rapport à l'intérieur du cadre de compartiment 23.

Les éléments du cadre de compartiment 25 sont, de manière typique, réalisés en un métal d'arrêt tel que le titane, des alliages de titane, le tantale, le tungstène, le niobium et

similaires, ou en un stratifié d'une surface de métal d'ar-

rêt au contact de la liqueur d'anolyte et de fer, d'acier et

similaires en tant que surface extérieure.

L'anode 37 est supportée par le cadre à canaux 23 et est un plan perméable à l'électrolyte, par exemple de la maille, une plaque perforée, une feuille, des baguettes et

similaires. Lorsqu'on utilise des barres, ce sont de préfé-

rence des barres verticales. L'anode 37 est un support en mé-

tal d'arrêt doté d'un revêtement catalytiquement actif. Les 8. métaux d'arrêt sont ceux des métaux formant un oxyde après

exposition à des milieux acides dans-les conditions anodi-

ques telles que décrites plus haut. Le revêtement est une

matière qui assure une faible surtension de chlore.

Aux unités anodiques 21 sont associées une tuyau-

terie d'alimentation de saumure 31, une canalisation de récu-

pération de chlore 33, une canalisation d'évacuation de sau-

mure appauvrie 35 et une barre omnibus 91.

Les unités cathodiques 41 comportent un cadre de compartiment rectangulaire périphérique 43, ouvert sur les

deux surfaces principales opposées pour supporter l'électro-

de cathodique 57. Le cadre de compartiment rectangulaire pé-

riphérique comprend une paire de cadres à canaux verticaux

, qui peuvent être en forme de U. Dans.un mode de réalisa-

tion préféré, un cadre à canal vertical 45 est concave par

rapport à l'intérieur du cadre de compartiment 43 et compor-

te un dispositif à plaque 47 délimitant une descente 49. Le dispositif à plaque 47 est parallèle à et espacé du cadre à

canal 45. L'autre cadre à canal vertical 45 peut être conve-

xe ou concave par rapport au cadre intérieur. Toutefois, 1'-

autre cadre à-canal vertical doit être adapté de manière à

pouvoir recevoir une barre omnibus cathodique 93.

Le cadre de compartiment rectangulaire périphéri-

que 43 comprend en outre une paire de cadres à canaux 45 en forme de U. Les deux cadres à canaux horizontaux 45 peuvent être concaves par rapport à l'intérieur du cadre à canal 43 ou convexes par rapport à l'intérieur du cadre à canal 43, ou un de ceux-ci peut être concave et l'autre convexe. Les quatre cadres à canaux délimitent un cadre de compartiment

rectangulaire 43 sous forme d'un cadre de tableau.

Les cadres à canaux 45 sont de préférence réali-

sés en un matériau qui résiste au catholyte.

La cathode métallique plane 57 peut être une

feuille, une feuille perforée, une plaque perforée, un ré-

seau de métal expansé, des tiges ou similaires. Lorsqu'on

utilise des tiges, celles-ci sont de préférence verticales.

La cathode 57 est supportée par le cadre de compartiment 43

et est réalisée en un matériau résistant au catholyte.-L'élé-

ment cathodique 57 est perméable à l'électrolyte, c'est-à-di-

2 4 6 10 2 1

9. re que l'électrolyte peut aisément le traverser. Il peut comporter un revêtement catalytique, comme par exemple un

revêtement qui réduit la surtension d'hydrogène.

L'unité cathodique 41, notamment les cadres de compartiment rectangulaires périphériques 43, comportent en outre une canalisation d'arrivée d'eau 51, une tuyauterie de récupération d'hydrogène 53, une tuyauterie de récupération

de liqueur de cellule 55, et une barre omnibus 93.

Un joint 71 est placé entre chaque paire d'unités d'électrode 21, 41, de manière qu'il y ait un joint 71 entre une unité anodique 21 et l'unité cathodique adjacente lui faisant face 41. Selon un mode de réalisation, deux joints 71 peuvent être disposés entre une unité anodique 21 et une

unité cathodique 41, la membrane permionique 61 étant inter-

calée entre la paire de joints. Selon un autre mode de réa-

lisation, o la membrane permionique repose sur l'anode 21,

les joints 71 peuvent être disposés entre la membrane permio-

nique 61 et la cathode 41. Selon un autre mode de réalisation encore, o la membrane permionique 61 repose sur la cathode

41, les joints peuvent être disposés entre la membrane per-

mionique 61 et l'anode 21.

Les joints sont de préférence réalisés en un ma-

tériau élastique, résistant à l'électrolyte.

La cellule électrolytique individuelle 11 comprend en outre une plaque de fond 81 et un joint d'extrémité 83 à

chaque bout, ainsi qu'un dispositif de compression, par e-

xemple des boulons 85 et des écrous 87, de manière que les joints 71, la plaque de fond 81, les joints d'extrémité 83, les boulons 85 et les écrous 87 forment une cellule étanche

à l'électrolyte.

* Bien que les cellules individuelles 11 puissent

être espacées les unes des autres et reliées par un gros câ-

ble en cuivre ou par des barres omnibus, dans un mode de réa-

lisation particulièrement préféré les cellules individuelles Il sont montées sur un élément structural commun, par exemple

des rails, et reliées par un connecteur omnibus court, à sa-

voir la barre omnibus anodique 91, à travers le connecteur

anodique 95 et une barre omnibus cathodique 93 et un connec-

teur cathodique 97 comportant le dispositif à boulons et é-

10.

crous 99.

Selon un autre mode de réalisation de la présen-

te invention, les éléments d'électrode plans peuvent être utilisés en une configuration bipolaire comme indiqué sur les figures 7-10. Ainsi qu'il apparaît, une série de cellu-

les électrolytiques 201 comprend une pluralité d'électroly-

seurs bipolaires à deux cellules 205 comportant chacun une paire de cellules individuelles 211. Les unités d'électrode

bipolaires 219 de l'électrolyseur individuel 211 sont paral-

lèles les unes par rapport aux autres et comportent une sous-

unité anodique 221 et une sous-unité cathodique 241. Des uni-

tés monopolaires 221A-241A sont intercalées entre chaque pai-

re d'unités bipolaires 219. Les unités monopolaires 221A-

241A sont disposées bout à bout et isolées électriquement l'une de l'autre. Les unités monopolaires anodiques 221A sont

parallèles à, disposées en face de et espacées de la sous-

unité cathodique 241 de l'unité bipolaire 219, alors que les

unités monopolaires cathodiques 241A sont parallèles à, dis-

posées en face de et espacées des sous-unités anodiques 221

des unités bipolaires 219. Les unités monopolaires cathodi-

ques 241 sont séparées des sous-unités anodiques 221 par une feuille de séparation perméable aux ions 271 et les unités monopolaires anodiques 221A sont séparées des sous-unités cathodiques 241 par une feuille de séparation perméable aux

ions 271.

L'unité bipolaire 219 comprend une sous-unité ano-

dique 221 et une sous-unité cathodique 241. La sous-unité a-

nodique 221 et la sous-unité cathodique 241 sont disposées bout à bout avec un moyen de conduction bipolaire 261 entre

celles-ci.

La sous-unité anodique 221 comprend un cadre de compartiment rectangulaire périphérique 223 ouvert sur les

deux surfaces principales opposées pour supporter l'électro-

de anodique 237. Le cadre de compartiment rectangulaire pé-

riphérique 223 est réalisé à partir d'une paire de cadres verticaux en forme de canal 225 qui peuvent avoir la forme

d'un U. Lorsqu'ils sont en forme de "T", un ou les deux ca-

dres à canaux verticaux 225 peuvent être concaves par rapport

à l'intérieur du cadre de la sous-unité anodique 223 et com-

11.

porter un dispositif à plaque 227 parallèle au cadre en for-

me de canal 225, de manière à délimiter une descente 229. Le dispositif à plaque 227 est espacé de et parallèle au cadre

en forme de canal vertical 225 et des cadres en forme de ca-

naux horizontaux 225, de manière à délimiter la descente 229. Le cadre de compartiment rectangulaire périphérique 223 comprend en outre une paire de cadres en forme de canaux horizontaux 225 qui peuvent également avoir la forme d'un "U" et être concaves ou convexes par rapport à l'intérieur

du cadre en forme de canal rectangulaire périphérique 223.

Le cadre à canal rectangulaire périphérique 223 se présente sous la forme d'un cadre de tableau. Les cadres en forme de canal 225 sont réalisés en un métal d'arrêt, tel que défini

plus haut, ou en un stratifié d'un métal d'arrêt et d'un mé-

tal moins résistant aux saumures de chlorure de métal alca-

lin acidifiées, le métal d'arrêt étant orienté vers la sau-

mure acidifiée.

L'électrode anodique 237 est un élément plan per-

méable à l'électrolyte, qui peut être de la maille, une pla-

que perforée, une feuille perforée, des barres ou similaires,

délimitant un plan sensiblement parallèle à la sous-unité a-

nodique 221. De plus, un dispositif d'alimentation de saumu-

re 231, un dispositif de récupération de chlore 233, un mo-

yen d'évacuation de la saumure appauvrie 235, ainsi qu'un

connecteur bipolaire 261, sont associés à la sous-unité ano-

dique 221.

La sous-unité cathodique 241 de l'élément bipolai-

re 219 comporte un cadre de compartiment rectangulaire péri-

phérique 243, ouvert sur les deux surfaces principales oppo-

sées pour supporter l'électrode cathodique 257. La sous-uni-

té cathodique comprend en outre une paire de cadres verti-

caux en forme de canal 245, qui peuvent avoir la forme d'un

"U". Lorsqu'ils sont en forme de "U", un cadre à canal verti-

cal 245 peut être concave par rapport à l'intérieur du cadre de compartiment rectangulaire périphérique 243 et comporter un dispositif à plaque 245 espacé de et parallèle au cadre en

forme de canal 245.de manière à délimiter une descente 249.

Un ou deux des cadres verticaux en forme de canal 245 peuvent

être concaves par.rapport à l'intérieur du cadre de comparti-

12.

ment rectangulaire périphérique 243. L'un des cadres verti-

caux en forme de canal 245 est porteur d'un élément bipolai-

re 261.

Le cadre de compartiment rectangulaire périphéri-

que 243 comprend en outre une paire de cadres horizontaux en forme de canal 245, qui peuvent être en forme de "U", les deux pouvant être concaves ou convexes, ou l'un peut être concave et l'autre convexe par rapport à l'intérieur du cadre de compartiment rectangulaire périphérique 243. Les quatre

cadres en forme de canal 245 délimitent un cadre de comparti-

ment rectangulaire périphérique en forme de cadre de tableau 243. Le cadre de compartiment rectangulaire périphérique 243 comprend en outre une cathode métallique plane.sur l'une ou l'autre ouverture, supportée par le cadre en forme de canal 243. La cathode métallique plane 257 est un élément résistant à la liqueur de catholyte et perméable à l'électrolyte, sous forme d'une feuille perforée, d'une plaque perforée, d'un

treillis métallique, de barres, de tiges ou similaires.

Une canalisation d'alimentation en eau 251, une

canalisation de récupération d'hydrogène 253, une canalisa-

tion de récupération de liqueur de cellule 255 et un élément bipolaire 261 sont associés à la sous-unité cathodique 241

de l'élément bipolaire 219. L'élément bipolaire 261 est un relation avec les cadres verticaux en forme

de canal de la sous-unité anodique

221 et de la sous-unité cathodique 241 d'un élément bipolai-

re 219. Selon une forme de réalisation, l'élément bipolaire 261, à savoir un conducteur bipolaire 261, peut comporter un élément en titane ou en métal d'arrêt 263 en contact avec la sous-unité anodique 221, un élément en fer ou en acier 265 en contact avec la sous-unité cathodique 241, et un maf-ériau

de conductivité élevée résistant à la migration de l'hydro-

gène, par exemple du cuivre, représentant l'élément 267 in-

tercalé entre l'élément en titane ou en métal d'arrêt 263 et

l'élément en fer 265.

Dans un autre mode de réalisation encore o la sous-unité anodique 221 et la sous-unité cathodique 241 sont étanches à l'électrolyte, l'élément bipolaire 261 peut être

un élément unique en un métal de conductivité élevée, par e-

: > 13. xemple un simple élément en cuivre. La forme de l'élément bipolaire 261 n'est pas critique. L'élément bipolaire 261

peut être rectangulaire ou cylindrique.

Les unités monopolaires anodiques 221A et les uni-

tés monopolaires cathodiques 241A sont intercalées entre les

unités bipolaires 219.

L'unité monopolaire anodique 221A comporte un ca-

drede compartiment rectangulaire périphérique, qui est ou-

vert sur ses deux surfaces principales opposées pour suppor-

ter l'électrode anodique 237. Le cadre de compartiment rec-

tangulaire périphérique est pourvu d'une paire de cadres

verticaux en forme de canal 225 et d'une paire de cadres ho-

rizontaux en forme de canal 225. Les cadres verticaux et ho-

rizontaux en forme de canal peuvent avoir la forme d'un "U".

Un des cadres verticaux en forme de canal ou les deux peuvent être concaves par rapport à l'intérieur du cadre en forme de canal 223 et comporter un dispositif à plaque délimitant un

espace de descente 229 tel que décrit plus haut. Un des ca-

dres horizontaux en forme de canal ou les deux peuvent être en forme de "U", et les deux ou un des deux peuvent être concaves ou convexes par rapport à l'intérieur du cadre de

compartiment rectangulaire périphérique 223. Les cadres ver-

ticaux en forme de canal 225 et les cadres horizontaux en

forme de canal 225 délimitent un cadre de tableau.

Les cadres en forme de canal 225 du cadre de com-

partiment rectangulaire périphérique 223 sont réalisés en un

métal d'arrêt tel que défini plus haut.

L'électrode anodique 237 de l'unité monopolaire a-

nodique 221A est supportéepar les cadres en forme de canal

223. C'est un élément plan perméable à l'électrolyte se trou-

vant dans le plan du cadre en forme de canal 223 et pouvant se présenter sous la forme de feuilles, d'un treillis, d'une plaque perforée, d'une feuille perforée, de baguettes, de barres ou similaires. L'anode 237 se présente sous la forme

d'un support en métal d'arrêt comportant un revêtement cata-

lytique d'électrode approprié. L'unité monopolaire anodique

221A, notamment le cadre de compartiment rectangulaire péri-

phérique 223, comprend en outre un système d'alimentation de

saumure 231, un moyen de récupération de chlore 233, un sys-

14. tème d'évacuation de la saumure appauvrie 235 et une barre

omnibus 291.

Les unités monopolaires cathodiques 241A compor-

tent un cadre de compartiment rectangulaire périphérique 243 ouvert sur les deux surfaces principales opposées pour sup- porter les éléments cathodiques 257. Le cadre de compartiment rectangulaire périphérique 243 est constitué par une paire de cadres verticaux en forme de canal 245 et une paire de cadres horizontaux en forme de canal 245 définissant un cadre de tableau 243. Les cadres en forme de canal 245 peuvent être en forme de "U", les deux cadres verticaux en forme de canal ou l'un des deux étant concaves par rapport à l'intérieur du

cadre en forme de canal du cadre de compartiment rectangulai-

re 243 et comportant un système à plaque 245 disposé à l'in-

térieur et délimitant une descente 249. Un des cadres verti-

caux en forme de canal 245 est concave par rapport à l'inté-

rieur du cadre de compartiment rectangulaire périphérique

243 et porte une barre omnibus cathodique 293.

Les cathodes métalliques planes 257 sont suppor-

tées par le cadre de compartiment rectangulaire périphérique 243 et sont réalisées en une matière résistant au catholyte, perméable à l'électrolyte, et peuvent en outre comporter un

catalyseur de dégagement d'hydrogène.

Les unités monopolaires cathodiques 241A peuvent être assemblées sous forme d'une unité unique avec une unité

monopolaire anodique 221A avec laquelle elle se trouve re-

liée bout à bout, séparée par un isolant 269. En variante,

les unités monopolaires cathodiques 241A peuvent être sépa-

rées de l'unité monopolaire anodique 221A, avec lesquelles

elles se trouvent reliées bout à bout.

- L'unité monopolaire cathodique comprend une ali-

mentation en eau 251, une récupération d'hydrogène 253, une

récupération de la liqueur de cellule 255 et une barre omni-

bus 293.

Des joints 273 sont disposés entre chaque paire d'unités monopolaires 221A et 241A et les unités bipolaires

adjacentes 219 leur faisant face. Les joints servent à assu-

rer l'étanchéité à l'électrolyte de l'électrolyseur 205. ain-

si que l'écartement de la membrane permionique 271 de la sur-

15. face anodique 237 ou de la surface cathodique 257 ou des deux à la fois, comme décrit ci-dessus à propos du mode de

réalisation monopolaire.

L'électrolyseur 205 comprend en outre un système de compression, à savoir des boulons 285 et des écrous 287.

Le courant électrique circule à travers le systè-

me à partir de la barre omnibus anodique 291 à travers l'uni-

té monopolaire anodique 221A, en direction de la sous-unité cathodique 241, et, de là, à travers l'élément bipolaire 261, en direction de la sous-unité anodique 221 et à travers l'électrolyte vers l'unité cathodique 241Aet sort de la cellule par l'intermédiaire de la barre omnibus cathodique 293. Le séparateur, représenté sous forme de l'élément

61 dans la configuration monopolaire et sous forme de l'élé-

ment 271 dans la configuration bipolaire, sépare la liqueur-

d'anolyte acide de la liqueur de catholyte alcaline. Tel qu'envisagé dans le cas présent, le séparateur 61, 271 est

un élément monolithique unique en forme de feuille, caracté-

risé par la quasi-absence de pliures, de raccordements, de joints, de soudures ou similaires. Le séparateur.61, 271 peut être une feuille d'amiante renforcée par de la résine,

un diaphragme microporeux synthétique ou une membrane permio-

nique. Le séparateur en forme de feuille plane assure une

perte de surface minimale et une facilité d'assemblage par-

ticulièrement grande.

La cellule électrolytique considérée ici est par-

ticulièrement utile pour un procédé chlore-soude caustique

ou un procédé chlore-potasse caustique. Telle qu'envisagéei-

ci, la saumure est envoyée à travers le collecteur de saumu-

re 101, 201 vers les arrivées individuelles de saumure 31, 231 des éléments anodiques. La saumure peut contenir 250 à 350 g par litre de chlorure de sodium ou, dans le cas de la saumure de chlorure de potassium, environ 325 à environ 450 g par litre de chlorure de potassium. Un potentiel électrique

est appliqué à la cellule et la saumure appauvrie et le chlo-

re sont récupérés à partir des éléments anodiques individu-

els, via les sorties de chlore et les sorties de saumure ap-

pauvrie 33 et 35 respectivement danIs la configuration monopo-

16. laire, et 233 et 235 respectivement dans la configuration bipolaire.

La liqueur de cellule et l'hydrogène sont récupé-

rés à partir des compartiments à cathdlyte des cellules.

Dans un mode de réalisation préféré o le séparateur 61, 271 est une membrane permionique, la liqueur de catholyte est un hydroxyde de métal alcalin aqueux, à savoir une solution de 10 à 50 %-en poids d'hydroxyde de sodium ou une solution de 15 à 70 % en poids d'hydroxyde de potassium sensiblement exempte de sel et il est nécessaire d'amener de l'eau dans

les éléments à catholyte.

246 102 1

17.

Claims (24)

REVENDICATIONS.

1. Cellule électrolytique, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité d'éléments anodiques creux

(21) électriquement en parallèle les uns par rapport aux au-

tres et une pluralité d'éléments cathodiques creux (41) élec-

triquement en parallèle les uns par rapport aux autres, cha-

cun desdits éléments d'électrode anodique étant intercalé en-

tre une paire d'éléments d'électrode cathodique et séparé de ceux-ci par une feuille de séparation plane perméable aux ions (61) et chacun desdits éléments d'électrode cathodique

étant intercalé entre une paire d'éléments d'électrode anodi-

que et séparé de ceux-ci par une feuille de séparation plane

perméable aux ions (61), lesdits éléments d'électrode anodi-

que et éléments d'électrode cathodique se trouvant comprimés de manière à fournir une cellule électrolytique étanche à l'électrolyte, et lesdites unités d'électrode individuelles comportant

a) un cadre de compartiment périphérique rectangu-

laire (23, 43) ouvert sur deux surfaces principales oppo-

sées;

b) ledit cadre de compartiment périphérique rec-

tangulaire comprenant une paire de cadres verticaux en "U" en forme de canal (25, 45) et une paire de cadres horizontaux en "U" en forme de canal, un des cadres verticaux en "U" en

forme de canal et les deux cadres horizontaux en "U" en for-

me de canal étant concaves par rapport à l'intérieur de l'u-

nité anodique et l'autre des canaux verticaux en "U" en for-

me de canal étant convexe par rapport à l'intérieur des uni-

tés anodiques; c) des moyens en plaques (27, 47) à l'intérieur du cadre vertical concave en "U" en forme de canal de manière à former une descente interne (29, 49); d) un système de barre omnibus (91, 93) s'étendant vers l'extérieur à partir dudit cadre vertical convexe en forme de canal;

e) une électrode métallique plane sur chacune des-

dites surfaces principales ouvertes, et f) un système d'alimentation d'électrolyte, un système de récupération de gaz et un système de récupération 18.

de liquide traversant le cadre de compartiment.-

2. Cellule électrolytique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun des séparateurs perméables aux ions comporte une feuille plane entre une unité anodique et l'unité cathodique adjacente.

3. Cellule électrolytique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les séparateurs perméables aux

ions sont choisis parmi des membranes permioniques, un dia-

phragme synthétique microporeux et des diaphragmes d'amiante

renforcés par de la résine.

4. Cellule électrolytique selon la revendication

1, caractérisée en ce qu 'elle comprend -1.

un système conducteur de courant entre ses unités anodiques

et les unités cathodiques de la cellule électrolytique adja-

cente suivante, le système conducteur de courant comprenant

un système de barre omnibus élastique (91) s'étendant à par-

tir de ses unités anodiques, un système de barre omnibus é-

lastique (93) s'étendant à partir des unités cathodiques de la cellule adjacente suivante, et un système à écrous (85)

amovible, reliant les barres omnibus.

5.- Electrolyseur bipolaire, caractérisé en ce qu'il comprend: a) une pluralité d'unités d'électrodes bipolaires

(219) parallèles les unes par rapport aux autres, chaque uni-

té bipolaire comportant une sous-unité anodique creuse (221) et une sousunité cathodique creuse (241), et étant espacée

des unités bipolaires adjacentes par une paire d'unités d'é-

lectrode monopolaires; b) les unités d'électrode monopolaires étant des

unités anodiques (221A) et des unités cathodiques (241A) iso-

lées électriquement les unes des autres et disposées bout à bout;

c) les unités monopolaires anodiques étant paral-

lèles et faisant face aux sous-unités cathodiques des unités bipolaires adjacentes et étant séparées de celles-ci par une feuille de séparation plane perméable aux ions (271), et

d) les unités monopolaires cathodiques étant pa-

rallèles et faisant face aux sous-unités anodiques des uni-

tés bipolaires adjacentes et étant séparées de celles-ci par 19.

une feuille de séparation plane perméable aux ions (271).

6. Electrolyseur bipolaire selon la revendication , caractérisé en ce que l'unité bipolaire comprend une sous- unité anodique, une sous-unité cathodique disposée bout à bout par rapport à ladite sous-unité anodique et un système

conducteur électrique bipolaire entre celles-ci.

7. Electrolyseur bipolaire selon la revendication , caractérisé en ce que la sous-unité anodique comprend

a) un cadre de compartiment périphérique rectan-

gulaire (223) ouvert sur deux surfaces principales opposées; b) une anode métallique plane (237) sur chacune des surfaces principales ouvertes, et

c) un système d'alimentation en saumure, un sys-

tème de récupération de gaz, un système de récupération de

liquide, et un système conducteur de courant bipolaire tra-

versant le cadre de compartiment.

8. Electrolyseur bipolaire selon la revendication

7, caractérisé en ce que le cadre de compartiment périphéri-

que rectangulaire comprend une paire de cadres verticaux en forme de canal (225) et une paire de cadres horizontaux en forme de canal, reliésensemble pour former un cadre de

tableau.

9. Electrolyseur bipolaire selon la revendication 8, caractérisé en ce que les cadres en forme de canal sont

réalisés en un métal d'arrêt.

10. Electrolyseur bipolaire selon la revendication

7, caractérisé en ce que chacune des anodes métalliques pla-

nes comprend un support en métal d'arrêt perméable à l'élec-

trolyte (263), doté d'une surface électrocatalytique.

11. Electrolyseur bipolaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sous-unité anodique comprend:

a) un cadre de compartiment périphérique rectangu-

laire ouvert sur deux surfaces principales opposées;

b) le cadre de compartiment périphérique rectangu-

laire comprenant une paire de cadres verticaux en "U" en forme de canal et une paire de cadres horizontaux en "U" en forme de canal, un des cadres verticaux en "U" en forme de canal et les deux cadres horizontaux en "W' en forme de canal étant concaves par rapport à l'intérieur de l'unité anodique 20.

et l'autre des canaux verticaux en "U" en forme de canal é-

tant convexe par rapport à l'intérieur des unités anodiques;

c) un système à plaque (227 à l'intérieur du ca-

dre vertical concave en "U" en forme de canal de manière à former une descente (229).

12. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 6, caractérisé en ce que la sous-unité cathodique com-

prend:

a) un cadre de compartiment périphérique rectangu-

laire (243) ouvert sur deux surfaces principales opposées; b) une cathode métallique plane (257) sur chacune des surfaces principales ouvertes, et c) un système d'alimentation en eau, un système

de récupération de gaz, un système de récupération de liqui-

de et un système conducteur de courant bipolaire traversant

le cadre de compartiment.

13. Electrolyseur bipolaire selon la revendication

12, caractérisé en ce que le cadre de compartiment périphé-

rique rectangulaire comprend une paire de cadres verticaux en forme de canal (245) et une paire de cadres horizontaux en forme de canal reliées ensemble pour former un cadre de

tableau.

14. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 13, caractérisé en ce que les cadres en forme de canal sont réalisés en un métal résistant à l'hydroxyde de métal alcalin.

15. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

E -.. -

tion 13, caractérisé en ce que chacune des cathodes métalli-

ques planes comprend une feuille métallique résistant à de

l'hydroxyde de métal alcalin aqueux, perméable à l'élect'ro-

lyte.... :

16. Electrolyseur bipolaire selon la revendica- -

tion 13, caractérisé en ce que la sous-unité cathodique com-

prend: --

a) un cadre de compartiment périphérique recta'n-

gulaire ouvert sur deux surfaces principales opposées' --.

b) le cadre de compartiment périphérique rectan-

gulaire comprenant une paire de cadres verticaux en "U"S:en forme de canal et une paire de cadres hrizontauxe. "U"-en' -e d..._...:,,

? 3 s- --r-..

21. forme de canal, un des cadres verticaux en "U" en forme de

canal et deux des cadres horizontaux en "U" en forme de ca-

nal étant concaves par rapport à l'intérieur de l'unité ca-

thodique; c) un système à plaque à l'intérieur du cadre vertical en "U" en forme de canal de manière à former une descente (249); et d) un système de barre omnibus (293,1 s'étendant

vers l'extérieur à partir du cadre convexe en forme de ca-

nal.

17. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 5, caractérisé en ce que les unités monopolaires anodi-

ques comprennent:

a) un cadre de compartiment périphérique rectan-

gulaire ouvert sur deux surfaces principales opposées; b) une anode métallique plane sur chacune des surfaces principales ouvertes, et

c) un système d'alimentation en saumure, un systè-

me de récupération de gaz, un système de récupération de lî-

quide et un système conducteur de courant traversant le ca-

dre de compartiment.

18. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 17, caractérisé en ce que le cadre de compartiment pé-

riphérique rectangulaire comprend une paire de cadres verti-

caux en forme de canal et une paire de cadres horizontaux en

forme de canal, reliés ensemble pour former un cadre de ta-

bleau.

19. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 18, caractérisé en ce que les cadres en forme de canal

sont réalisés en un métal d'arrêt.

20. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 17, caractérisé en ce que chacune des anodes métalliques

planes comprend un support en métal d'arrêt perméable à l'-

électrolyte, doté d'une surface électrocatalytique.

21. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 17, caractérisé en ce que l'unité monopolaire anodique comprend:

a) un cadre de compartiment périphérique rectan-

gulaire ouvert sur deux surfaces principales opposées;

246 102 1

22.

b) le cadre de compartiment périphérique rectan-

gulaire comprenant une paire de cadres verticaux en "U" en forme de canal et une paire de cadres horizontaux en "U" en forme de canal, un des cadres verticaux en "U" en forme de canal et les deux cadres horizontaux en "U" en forme de ca-

nal étant concaves par rapport à l'intérieur de l'unité ano-

dique et l'autre des canaux verticaux en "U" en forme de ca-

nal étant convexe par rapport à l'intérieur des unités ano-

diques; c) un système à plaque à l'intérieur du cadre vertical concave en "U" en forme de canal de manière à former une descente (229); et d) un système de barre omnibus (291 s'étendant vers l'extérieur à partir du cadre vertical convexe en forme

de canal.

22. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 5, caractérisé en ce que les unités monopolaires catho-

diques comprennent

a) un cadre de compartiment périphérique rectangu-

laire ouvert sur deux surfaces principales opposées; b) une cathode métallique plane sur chacune des surfaces principales ouvertes, et c) un système d'alimentation en eau, un système de récupération de gaz, un système de récupération de liquide et

un système conducteur de courant traversant le cadre de com-

partiment.

23. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 22, caractérisé en ce que le cadre de compartiment péri-

phérique rectangulaire comprend une paire de cadres verti-

eaux en forme de canal et une paire de cadres horizontaux en

forme de canal, reliés ensemble pour former un cadre de ta-

bleau.

24. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 23, caractérisé en ce que les cadres en forme de canal sont réalisés en un métal résistant à l'hydroxyde de métal alcalin.

25. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 23, caractérisé en ce que chacune des cathodes métalli-

ques planes comprend une feuille métallique perméable à l'é-

23.

lectrolyte, résistant à de l'hydroxyde de métal alcalin a-

queux.

26. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 23, caractérisé en ce que l'unité cathodique comprend a) un cadre de compartiment périphérique rectan- gulaire ouvert sur deux surfaces principales opposées;

b) le cadre de compartiment périphérique rectan-

gulaire comprenant une paire de cadres verticaux en "U" en forme de canal et une paire de cadres horizontaux en "I" en forme de canal, un des cadres verticaux en "U" en forme de

canal et les deux cadres horizontaux en "U" en forme de ca-

nal étant concaves par rapport à l'intérieur de l'unité ca-

thodique et l'autre des canaux verticaux en "U" en forme de canal étant convexe par rapport à l'intérieur de l'unité cathodique; c) un système à plaque à l'intérieur du cadre

vertical concave en "U" en forme de canal de manière à for-

mer une descente (249); et d) un système de barre omnibus (293) s'étendant vers l'extérieur à partir du cadre vertical convexe en forme

de canal.

27. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 5, caractérisé en ce que chacun des séparateurs perméa-

bles aux ions comporte une feuille plane entre une unité a-

nodique et l'unité cathodique adjacente.

28. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 27, caractérisé en ce que les séparateurs perméables aux ions sont choisis parmi des membranes permioniques, un

diaphragme synthétique microporeux et des diaphragmes en a-

miante renforcés par de la résine.

29. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 5, caractérisé en ce que l'électrolyseur bipolaire com-

prend un système de compression pour maintenir ledit élec-

trolyseur bipolaire étanche à l'électrolyte.

30. Electrolyseur bipolaire selon la revendica-

tion 5, caractérisé en ce que l'électrolyseur bipolaire com-

prend un système conducteur de courant entre ses unités mono-

polaires anodiques et les unités monopolaires cathodiques de

l'électrolyseur bipolaire adjacent suivant, le système con-

24. ducteur de courant comprenant un système de barre omnibus

élastique (291) s'étendant à partir de ses unités monopolai-

res anodiques, un système de barre omnibus élastique (293) s'étendant à partir des unités monopolaires cathodiques de l'électrolyseur adjacent suivant, et un système d'écrous

(285: amovible reliant ces barres omnibus.

c'1 . I