Brevet FR2389685A1 — publié le 19781201

La présente invention vise à perfectionner les cellules d'électrolyse à cathode de mercure, en particulier les cellules pour l'électrolyse de solutions aqueuses d'halogénures de métaux alcalins telles que des saumures de chlorure de sodium. Elle concerne plus particulièrement un dispositif assurant la prévention d'un court-circuit accidentel entre les anodes et la cathode de mercure. Pendant l1opération d'electrolyse en cellule à mercure, on rapproche en général les anodes aussi près que possible de la cathode, afin de diminuer la consommation d'énergie électrique et d'obtenir un rendement énergétique optimum Dans le cas de cellules équipées d'anodes métalliques, notamment des anodes en titane portant un revêtement actif constitué par exemple d'un mélange d'oxyde de ruthénium et de bioxyde de titane, il est habituel de régler la distance anode-cathode à moins de I mm. Dans une cellule fonctionnant avec une aussi faible distance anode-cathode, il peut arriver que des courts-circuits locaux se produisent entre la cathode de mercure qui est en mouvement et l'une ou l'autre anode. Ces courts-circuits locaux peuvent être imputables, par exemple, à une variation intempestive du débit de mercure ou de sa température ou, plus fréquemment, à la présence d'impuretés telles que du gros mercure, flottant à la surface du mercure ou-adhérant à la sole de la cellule. Des courts-circuits locaux entre les anodes et la cathode ont aussi fréquemment pour origine une turbulence fortuite du courant de mercure, provoquée notamment par la chute d'un fragment d'anode (dans le cas d'anodes en graphite) ou par un court-circuit local accidentel d'une anode voisine. Outre leur incidence défavorable sur le rendement de l'électrolyse, ces courts-circuits occasionnent généralement des dégradations graves aux anodes, principalement aux anodes métalliques, qui deviennent ainsi rapidement inutilisables. On a déjà proposé des dispositifs capables d'éloigner automatiquement et rapidement une anode ou un groupe d'anodes, de la cathode, à l'approche d'un court-circuit. Ainsi, dans le brevet belge 705 921 du 31 octobre 1967 au nom de la Demanderesse, on propose un dispositif comprenant,d'une part, un détecteur d'une position critique de l'anode à protéger (en l'occurence, une position de l'anode correspondant à l'amorce d'un court-circuit avec la cathode ou une position dangereuse,proche du court-circuit) et, d'autre part, un organe moteur commandé par le détecteur pour écarter rapidement l'anode de la cathode sur une distance d'au moins 5 mm, de manière à éviter tout risque ultérieur de courtcircuit. Dans ce dispositif connu, l'organe moteur consiste en un vérin commandé par le détecteur pour actionner un ensemble de bielles et libérer un ressort qui provoque alors le déplacement rapide de l'anode ou du groupe d'anodes à protéger. Ce dispositif connu, qui a été conçu pour les cellules à anodes en graphi- te , a le merite de réagir automatiquement à l'approche iiininente dtun courtcircuit dans la cellule. Il a toutefois l'inconvenient de présenter une inertie relativement importante, attribuable à la présence du vérin et du système corr plexe de bielles articulées. Cette inertie du dispositif connu le rend moins utilisable pour les cellules à anodes métalliques, étant donne, d'use part, la très faible valeur imposée à la distance anode-cathode de ces cellules et, d'autre part, la nécessité absolue d'éviter un contact entre les anodes et le mercure. La Demanderesse a maintenant conçu un dispositif présentant une très faible inertie, qui est, de ce fait, spécialement adapté aux cellules à anodes métalliques, fonctionnant avec une faible distance anode-cathode, par exemple inférieure à I mm. L'inventian concerne donc un dispositif pour la prévention d'un court-cir cuit entre une anode et la cathode dune cellule d'électrolyse à cathode de mercure, comprenant un détecteur d'une position critique prédéterminée de l'anode par rapport à la cathode, qui coopère avec un organe d'éloignement de l'anode par rapport à la cathode. Suivant l'inventions l'organe d'éloignement précité comprend un ressort normalement comprimé entre un appui fixe et un appui relié à une tige de support de l'anode, une butée déplaçable, norialerent appliquée contre un épaulement relié à la tige en sorte de comprimer le ressort entre les appuis, et un electro-aimant actionné par le détecteur pour écarter la butée de l'épaulement. Dans le dispositif suivant l'invention, la butée déplaçable peut être de petites dimensions et présenter de la sorte une très faible inertie. Par ailleurs, un léger déplacement de cette butée sous l'action de l'électro-aimnnt est suffisant pour libérer le ressort et éloigner de la cathode, l'anode qui est en danger de court-circuit. L'utilisation d'un électro-aiownt permet en outre d'actionner la butée quasi instantanément avec la détection de la position critique de l'anode à protéger. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, le détecteur comprend un relais à fonctionnement magnétique, conforme au relais Clareed décrit dans les Techniques de l'Ingénieur, Electrotechnique, Mise à jour 22, Fiches D407-4,5, qui connecte ltelectro-aimant à une source de courant électrique.Ce relais connu comprend une paire de lamelles élastiques en un matériau ferromagnétique sans remanence, dont les extrémités libres se chevauchent en étant normalement écartées l'une de l'autre; il est disposé au voisinage immé- diat d'un conducteur d'amenée de courant à l'anode, de manière que ses lamelles ferromagnétiques soient soumises à l'influence du champs magnétique engendré par le courant circulant dans ledit conducteur. * L'utilisation d'un détecteur de ce type réduit considérablement le temps de réponse du dispositif à la détection de la position dangereuse d'une anode et améliore davantage sa fiabilité. Dans une forme de réalisation particulière du dispositif suivant l'invention, on peut avantageusement utiliser, pour la source de courant de l'électro- aimant, la différence de potentiel existant aux bornes de la cellule d'électro- lyse. Dans une variante préférée de cette forme de réalisation de l'invention, on dispose une bobine d'induction magnétique au voisinage du relais, par exem ple autour de celui-ci, et on relie cette bobine aux bornes de la cellule d'e- lectrolyse, en série avec une source de courant continu de polarité opposée à celle de la cellule, dont la tension est sensiblement égale à la tension de décomposition de l'électrolyte; la bobine d'induction est par ailleurs agencée de manière que les champs magnétiques engendrés respectivement par le courant circulant dans ladite bobine et par le courant circulant dans le conducteur précité d'amenée de courant à l'anode, soient de sens opposés. Cette variante de l'invention présente l'avantage de rendre la sensibilité du relais indépendante de la charge de la cellule. Le dispositif suivant l'invention présente l'avantage de réagir avec une excellente fiabilité et un très faible temps de réponse à l'apparition d'une position critique dangereuse d'une anode ou d'un groupe d'anodes, proche du court-circuit avec la cathode. il présente l'avantage supplémentaire d'être de construction simple et robuste. Des particularités et détails de l'invention apparaltront au cours de la description suivante des figures du dessin annexé, qui représentent schématiquement deux formes de réalisation particulières du dispositif suivant l'invention. La figure 1 montre, en section axiale, une forme de réalisation avantageuse du dispositif suivant l'invention; La figure 2 montre une variante préférée d'un détail du dispositif de la figure 1. Dans ces figures, des mêmes notations de référence désignent des éléments identiques. A la figure 1, on a représenté schématiquement en 1, le couvercle d'une -cellule d'électrolyse à cathode mobile de mercure sensiblement horizontale, destinée à ltélectrolyse d'une solution aqueuse d'halogénure de métal alcalin, par exemple une saumure de chlorure de sodium. Le couvercle 1 est traversé par une tige verticale 2 supportant une anode 3 en regard de la cathode de mercure 4, et raccordée électriquement, via une liaison souple 6, à une barre omnibus 7 couplée à la sole d'une cellule d'électrolyse voisine, non représentée. Un joint torique 8 assure l'étanchéité au passage de la tige 2 à travers le couvercle 1 de la cellule, tout en permettant un coulissement axial de la tige pour rapprocher ou éloigner l'anode 3 de la cathode 4. Pour supporter l'anode 3 au-dessus de la cathode de mercure 4, la tige 2 est prolongée axialement par une vis 9 qui est vissée dans un écrou 10 supporté sur un manchon axial 11. Le manchon Il est entouré d'un ressort hélicoldal 12 engagé entre une bride 13 solidaire du manchon 1 1 et une bague fixe 14 solidaire du couvercle 1 et entourant le manchon 11. Le ressort 12 est normalement maintenu comprimé entre la bride 13 et la bague 14, au moyen d'une butée 15 montée dans une coulisse horizontale fixe 16 et appliquée sur le rebord supérieur de la bride 13. L'écrou 10 permet un réglage précis de la position de travail de l'anode 3. Le détecteur d'Me position critique dangereuse de l'anode 3 comprend un relais 17 à fonctionnement magnétique, disposé au voisinage immédiat de la barre omnibus 7, de manière à être sous l'influence du champs magnétique développé par le courant circulant dans la barre, vers l'anode. Ce relais 17 est conforme au relais Clareed précité. il comprend, dans une ampoule hermétique 18 remplie d'un gaz inerte, une paire de lamelles élastiques 19, en un ma- tériau ferromagnétique sans rémanence, disposées dans le prolongement l'une de l'autre, avec leurs extrémités libres qui se chevauchent sans se toucher. Pour la commodité du dessin, le relais 17 a été représenté avec ses lamelles 19 parallèles à la barre oanibus 7. En pratique, le relais 17 doit toutefois être orienté obliquement ou transversalement par rapport à la barre omnibus 7, de manière que ses lamelles 19 puissent être sollicitées par le champs magnétique régnant autour de la barre 7. En modifiant l'orientation du relais 17 par rapport à la barre 7, on peut régler la valeur critique du courant pour laquelle les extrémités libres des lamelles 19 sont attirées l'une vers l'autre et accolées. Cette valeur critique du courant est choisie de manière quelle corresponde à une position critique dangereuse de l'anode 3, proche du contact avec la cathode de mercure 4. Suivant l'invention, le relais 17 est connecté en série avec un electro- aimant 20, entre le conducteur souple 6 et la sole 21 de la cellule. L'électro- aimant est disposé dans le prolongement du coulisseau 15, de manière que, lorsqu'il est excité, suite à la fermeture du relais 17, il écarte le coulisseau 15 de la bride 13 et libère ainsi le ressort 12 qui éloigne alors instantanément l'anode 3 de la cathode 4. En variante, on peut aussi faire usage d'une source de courant auxiliaire pour alimenter l'électro-aimant 20 via le relais 17. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, représentée à la figure 2, le relais 17 est engagé axialement dans une bobine d'induction 22 reliée en série avec une source de courant continu étalonnée 23 et une résistance réglable 24, entre un conducteur 25 relié à un collecteur général d'amenée de courant aux anodes de la cellule et un conducteur 26 relié à la sole 21 de la cellule. La source de courant continu 23 est cablée en opposition par rapport à la tension aux bornes de la cellule, et sa tension est choisie égale à la tension de décomposition du chlorure de sodium aux électrodes de la cellule. La tension de la source 23 peut par exemple être fixée à 3, 10 V dans le cas où la cellule est équipée d'anodes en titane portant un revêtement actif constitué de cristaux mixtes d'oxyde de ruthénium et de bioxyde de titane. La bobine d'induction 22 est disposée autour du relais 17, de manière à soumettre ses lamelles 19 à un champs magnétique de sens opposé au sens du champs magnétique principal engendré par le courant circulant dans la barre omnibus 7. La résistance réglable 24 permet de régler la valeur du champs magnétique produit par la bobine 22 et, par conséquent, la valeur globale du champs magnétique agissant sur les lamelles 19 du relais 17. Le dispositif conforme à la figure 2 présente l'avantage de permettre un réglage de la sensibilité du relais au moyen de la résistance réglable 24. il présente l'avantage supplémentaire que, pour chaque valeur de la résistance 24, la sensibilité du relais 17 est indépendante de la charge de la cellule d'électrolyse. C'est ainsi qu'on peut par exemple régler la résistance étalonnée 24 de telle sorte que le relais 17 ferme le circuit de ltélectro-aimant 20 dès que l'intensité du courant électrique dans la barre 7 dépasse 130 Z de sa valeur nominale, quelle que soit la charge de la cellule. Dans la description précédente des figures, le détecteur 17 pourrait évidemment être remplacé par un autre type de détecteur, capable de déceler une position critique dangereuse de l'anode 3 par rapport à la cathode de mercure 4. Ce détecteur pourrait par exemple comprendre une ou plusieurs sondes conductrices faisant saillie sous l'anode, comme decrit dans les brevets belges 706 879 du 22 novenbre 1967 et 814 846 du 10 mai 1974, tous deux au nom de la Demanderesse, ou encore un détecteur d'approche à variation d'inductance, fixé sous l'anode, tel que décrit dans le brevet belge 797 800 du 5 avril 1973, au nom de la Demanderesse. Dans la description qui précède, le dispositif suivant l'invention a été appliqué à la protection d'une anode individuelle d'une cellule à mercure. il est toutefois évident que le dispositif suivant l'invention pourrait, en variante, être appliqué à la protection d'un groupe d'anodes de la cellule. Dans ce cas particulier, la vis 9 serait fixée à une barre transversale supportant plusieurs tiges 2 d'anodes 3. Par ailleurs, l'invention s'applique indifféremment à des cellules à cathode de mercure horizontale, oblique ou verticale. L'invention n' est évidemment pas limitée à la description qui précède, de nombreuses modifications pouvant en effet y être apportées. REVEND ICAT IONS 1 - Dispositif pour la prévention d'un court-circuit entre une anode et la cathode d'une cellule d'électrolyse à cathode mobile de mercure, comprenant un détecteur d'une position critique prédéterminée de l'anode par rapport à la cathode, qui coopère avec un organe d'éloignement de l'anode par rapport à la cathode, caractérisé en ce que organe d'eloignement de l'anode comprend un ressort normalement comprimé entre un appui fixe et un appui relié à une tige de support de l'anode, une butée déplaçable, normalement appliquée contre un épaulement relié à la tige, en sorte de comprimer le ressort entre les appuis, et un électro-aimant actionné par le détecteur pour écarter la butée de l'épau- lement. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la butée déplaçable comprend un coulisseau monté dans une coulisse fixe, sensiblement horizontale. 3 - Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la tige de support de l'anode est vissée dans un écrou supporté par un manchon qui entoure la tige et qui est muni de l'épaulement et de l'appui susdits, reliés à la tige. 4 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le ressort est un ressort hélicoïdal entourant le manchon, entre une bride solidaire du manchon et une bague fixe, solidaire du couvercle de la cellule. 5 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le détecteur comprend un relais connu en soi, comportant une paire de lamelles élastiques en un matériau ferromagnétique sans remanence, disposées au voisinage d'un conducteur d'amenée de courant à l'anode et connectées en série avec l'electro-aimant, entre les bornes d'une source de courant. 6 - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les bornes de la source de courant sont la cathode et un conducteur d'amenée de courant à l'anode. 7 - Dispositif suivant la revsndication 5 ou 6, caractérisé en ce que le détecteur comprend en outre une bobine d'induction magnétique disposée au voisinage du relais et reliée aux bornes de la cellule, en série avec une source de courant continu de polarité opposée à -celle de la cellule, dont la tension est sensiblement égale à la tension de décomposition de l'électrolyte dais la cellule, la bobine étant agencée en sorte que les champs magnétiques engendrés respectivement par la bobine et par le conducteur susdit d'amenée de courant à l'anode soient de sens opposés.