Brevet FR2382516A1 — publié le 19780929

Dans l'industrie chimique, des cellules électrolytiques sont utilisées sur une grande échelle en tant qu'appareils de production de différents corps de base tels que l'hydrogène, l'oxygène, le chlore, les hydroxydes de métaux alcalins, les chlorates, les chlorites, etc. Différents types de cellules électrolytiques sont en usage dans l'industrie, telles que par exemple les cellules à anodes horizontales ou verticales ; les cellules comportant un seul compartiment d'anode et de cathode, dites "cellules unipolaires" ; ainsi que les cellules comportant une pluralité de compartiments d'anode et de cathode électriquement montées en série, dites "cellules bipolaires". En raison de la capacité de production limitée d'une cellule individuelle, les installations industrielles comprennent normalement une pluralité de cellules électrolytiques électriquement montées en série, formant ce qu'on peut appeler une "batterie de cellules". Par exemple, une batterie de cellules d'électrolyse de chlorure alcalin, utilisée pour la production de chlore, dthydrogène et d'hydroxydes alcalins, peut comprendre de 50 à 100 cellules ou meme davantage. De telles batteries sont équipées de connecteurs intercellulaires reliant entre elles toutes les cellules, en assurant ainsi une circulation parfaite du courant à travers l'ensemble de la batterie. Les connecteurs intercellulaires sont en un métal très bon conducteur tel que par exemple du cuivre ou de l'aluminium.Chaque connecteur est fixé à la sortie de cathode d'une cellule donnée et à l'entrée d'anode de la cellule adjacente. Dans de nombreux cas, mais en particulier dans le cas des cellules d'électrolyse de chlorure alcalin, la durée de vie de certaines parties de cellule, telles que les anodes, les diaphragmes ou d'autres éléments internes est limitée. En conséquence, il est nécessaire de démonter les cellules individuelles de temps à autre et de les transporter dans un atelier de réparation en vue du remplacement des éléments usés ou épuisés des cellules. Normalement, de telles batteries de cellules sont équipées de dispositifs d'interconnexion provisoire (dits ci-après "contacteurs volants") portatifs permettant de shunter toute cellule défaillante en faisant passer le courant électrique directement entre les deux cellules qui lui sont adjacentes, ce qui permet d'obtenir un fonctionnement permanent de la batterie de cellules sans aucune interruption due à l'incapacité d'une cellule individuelle. Avant de démonter une cellule défaillante, il est nécessaire de connecter les bornes du contacteur volant à la sortie de cathode de l'une des cellules qui lui sont adjacentes et à l'entrée d'anode de l'autre. Ensuite, en actionnant le contacteur, on peut interrompre le passage de courant dans la cellule défaillante, qu'on peut ensuite déconnecter électriquement des deux cellules qui lui sont adjacentes. Cette déconnexion s'effectue en retirant les connecteurs intercellulaires et, par conséquent, le poids de chacun de ceux-ci doit entre limité. En conséquence, pour les cellules de grande intensité nominale, il est nécessaire de prévoir une pluralité de connecteurs intercellulaires individuels. Normalement, ces connecteurs intercellulaires individuels sont disposés transversalement à la longueur de l'intervalle entre les cellules. Pour permettre le démontage ou l'installation des connecteurs intercellulaires; cet intervalle doit avoir une certaine largeur, pour permettre à un opérateur de travailler entre les cellules. La nécessité de tels intervalles de service entre toutes les cellules constitue un inconvénient certain des batteries classiques de cellules unipolaires, en particulier, par rapport à des batteries de cellules bipolaires. Les cellules bipolaires comprennent une pluralité de compartiments d'anode et de cathode électriquement montés en série, la connexion de compartiments d'anode et de cathode adjacents étant réalisée par assemblage direct des côtés arrière de ces compartiments.En conséquence, les batteries de cellules bipolaires n'exigent des connecteurs intercellulaires et des intervalles de service qu'entre le dernier compartiment d'une cellule donnée et le premier compartiment de la cellule adjacente, et il est évident que la quantité de matériau nécessaire pour les connecteurs intercellulaires et l'espace au sol occupé par les intervalles de service sont beaucoup plus réduits que dans le cas des batteries de cellules unipolaires, pour une même capacité de production, Par exemple, une batterie de cellules unipolaires peut comprendre cent cellules fonctionnant à 100 kA.Une batterie de cellules bipolaires, pour la meme capacité de production, cette batterie fonctionnant également à lOOkA, peut comprendre dix cellules seulement comportant chacune dix compartiments anode et dix compartiments dé cathode. Dans les deux cas, les cellules peuvent être installées en deux rangées parallèles, chaque rangée comprenant la moitié du nombre total de cellules. En conséquence, la batterie de cellules unipolaires comprend 98 intervalles de service éntre les cellules, tandis que la batterie de cellules bipolaires ne comprend que 8 intervalles de service.Par suite, la quantité de matériau nécessaire pour les connecteurs intercellulaires des cellules unipolaires e9; environ douze fois plus grande que pour les cellules bipolaires et la longueur des rangées de cellules unipolaires est plus grande d'au moins 20 mètres. Par ailleurs, dans l'exemple considéré, chaque cellule bipolaire assure un taux de production dix fois plus élevé, et une chute de tension dix fois plus grande, qu'une cellule unipolaire et son poids est environ dix fois plus grand que celui d'une cellule unipolaire. PQur toutes ces raisons, les batteries de cellules bipolaires présentent différents inconvénients dans le cas où un démontage de cellules individuelles est nécessaire au cours du fonctionnement continu de la batterie, comme par exemple dans l'électrolyse de chlorures alcalins. Au cours du démontage d'une cellule bipolaire, le facteur de débit de courant résiduel de la batterie n'est que de 90% contre 99% lors du démontage d'une cellule unipolaire. Le contacteur volant de la batterie de cellules bipolaires doit être conçu de manière à permettre une chute de tension dix fois plus grande. Les moyens de transport permettant de déplacer les cellules bipolaires entre la batterie de cellules et l'atelier de réparation de cellules, ainsi que cet atelier luimême, doivent être réalisés en tenant compte du poids et du volume extr & ement grands de ces cellules bipolaires. En outre, la construction d'une cellule bipolaire est beaucoup plus compliquée que celle d'une cellule unipolaire et peut entratner de plus grandes difficultés de maintenance et de réparation. Il se peut que ces inconvénients soient les raison principales pour lesquelles les batteries de cellules unipolaires sont utilisées par prédominance dans l'important domaine de l'électro- lyse de chlorures alcalins. L'invention a pour objet de créer une nouvelle batterie de cellules unipolaires ne comportant qu'un intervalle de service minimal entre les cellules, ce qui se traduit par une réduction considérable du matériau nécessaire pour les connecteurs intercellulaires et, en même temps, par une réduction appréciable de l'encombrement au sol, ce qui permet de se rapprocher des avantages principaux des batteries de cellules bipolaires, mais sans subir les différents inconvénients énumérés ci-dessus de ces batteries. Ce problème est résolu par une batterie de cellules électrolytiques comprenant une pluralité de cellules électrolytiques unipolaires électriquement montées en serie et interconnectées par des connecteurs intercellulaires, lesdites cellules comportant chacune une entrée d'anode et une sortie de cathode, ladite batterie comprenant en outre au moins un contacteur volant mobile comprenant des connecteurs permettant d'interconnecter électriquement deux cellules adjacentes à une cellules défaillante, ce contacteur volant étant disposé au-dessous desdites cellules, ladite batterie étant caractérisée en ce que les sorties de cathode sont prolongées au-dessous du niveau des fonds des cellules et sont munies, dans leur partie prolongée, de surfaces de contact pour les pièces de contact des connecteurs intercellulaires et de surfaces de contact pour des connecteurs de contacteur volant, en ce que les connecteurs intercellulaires peuvent être connectés aux dits connecteurs de contacteur par l'intermédiaire desdites surfaces de contact, en ce que celles-ci sont disposées de telle façon qu'elles soient accessibles à partir du fond de la cellule correspondante et en ce que les cellules individuelles sont disposées en série avec un jeu minimal entre elles. La nouvelle batterie de cellules unipolaires suivant l'invention peut être utilisée pour différents types d'électrolyse, mais l'une de ses applications principales est ltélectroly- sé de saumure pour la production de chlore, d'hydrogène et d'hydroxydes de m-étaux alcalins dans des cellules à diaphragme à électrodes verticales. En conséquence, la description détaillée de l'invention donnée plus loin sera faiX dans le cadre de ce type bien connu de cellules d'éléctrolyse. Suivant l'invention, le problème de la suppression de l'intervalle de service entre les cellules est résolu par une nouvelle conception de la partie "sortie de cathode" des cellules, conjointement à une forme appropriée de celles-ci, et par un agencement approprié du contacteur volant. Les cellules à électrodes verticales classiques ont une forme presque carrée, c'est-à-dire que la largeur d'une cellule (étendue de la cellule suivant la direction de la rangée. de cellules) est sensiblement égale à la longueur de cette cellule (étendue de la cellule perpendiculairement à la direction de la rangée de cellules). Dans les batteries classiques de cellules à électrodes verticales, le contacteur volant est placé dans un couloir de service B.c8té de la rangée de cellules.Dans dé telles batteries classiques formées de telles cellules classiques, un intervalle de service entre toutes les cellules est inévitable. Toutefois, selon un nouveau modèle de cellule décrit dans la demande de brevet US- nO 542 537 déposée le 20 janvier 1975, il est possible de donner à-des cellules à électrodes verticales un grand "allongement" ou rapport entre la longueur et la largeur des cellules et, selon un nouvel agencement de contacteur volant tel que décrit dans la demande de brevet US nO 542 650 déposée le 20 janvier 1975 accordée en tant que brevet US nQ 3 930 978 publié le 6 janvier tu76, il est possible de placer le contacteur au-dessous d'une rangée de cellules ou de le disposer à côté de celle-ci.Dans le cas de ces nouvelles formes de cellule et de ces nouveaux agencements de contacteur volant, il est possible de réaliser des batteries de cellules sans intervalles de service entre les cellules si l'on utilise le nouveau type de sortie de cathode suivant l'invention. Il est essentiel pour l'invention que la batterie de cellules comprenne une pluralité de cellules unipolaires disposuées en au moins une rangée et situées à une hauteur suffisante au-dessus du sol pour permettre d'installer au moins un contacteur volant portatif sur le sol au-dessous de la rangée de cellules et pour permettre à des opératéurs de travailler sur le sol au cours du remplacement d'une cellule défaillante, et que toutes les parties des cellules servant à la connexion électrique des cellules et du contacteur volant, c'est-à-dire les zones de contact de sortie de cathode et d'entrée d'anode prévues pour les connecteurs intercellulaires et les bornes de contacteur volant ainsi que les connecteurs intercellulaires eux-mtmes soient disposés au-dessous du fond des cellules, de façon que lesdites parties de cellule soient accessibles à un opérateur travaillant sur le sol. En outre, il est essentiel pour l'invention que les cellules aient une longueur suffisante pour permettre la fixation simultanée des connecteurs intercellulaires et des connecteurs de contacteur aux zones de contact disposées transversalement à la longueur des cellules, en particulier si, comme c'est le cas dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les connecteurs intercellulaires et les connecteurs de contacteur sont disposés alternativement côte à cote. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins Joints qui en représentent, à titre d'exemple, non limitatif, un mode de réalisation. Sur ces dessins : la figure 1 représente une vue partielle d'une batterie de cellules unipolaires suivant l'invention ; la figure 2 est une vue partielle d'un modèle de sortie de cathode type suivant l'invention ; la figure 3 est une autre vue partielle d'un modèle de sortie de cathode type suivant I'invention, et la figure 4 représente une installation de salle d'électrolyse type suivant l'invention. La figure 1 représente une partie d'une batterie de cellules unipolaires suivant l'invention. Les cellules comprennent un fond de cellule -f7), une enceinte de cellule (2) contenant le compartiment d'anode et de cathode, et un couvercle de cellule (3). Le courant pénètre dans une cellule par l'intermédiaire des connecteurs intercellulaires (4) et de 11 entrée d'anode (5), puis traverse le compartiment d'anode et de cathode de l'enceinte de cellule (2), quitte la cellule par l'intermédiaire de la sortie de cathode (6), atteint le connecteur intercellulaire suivant (4) et ainsi de suite. Le contacteur volant portatif(7) est représenté dans une position dans laquelle il est connecté aux cellules de gauche et de droite sur la figure au moyen des connecteurs de contacteur (8) et (9). Dans cette situation, le contacteur volant peut shunter la cellule médiane de la figure en déviant le courant électrique qui passait normalement dans cette cellule. Suivant l'invention, la sortie de cathode des cellules est prolongée au-dessous du niveau du fond des cellules (1) et la zone de contact (10) des connecteurs intercellulaires (4) ainsi que la zone de contact (li) des connecteurs de contacteur (8) sont prévues sur ce prolongement de la sortie de cathode (6). Les connecteurs de contacteur (9) sont fixés aux connecteurs intercellulaires (4) dans la zone de contact (12). il est évident que toutes les pneus de contact (10), (11), et (12) sont accessibles à un opérateur travaillant sur le sol.Cela signifie que toutes les opérations nécessaires de connexion et de dé connexion des connecteurs intercellulaires et des connecteurs de contacteur avec les zones de contact lors du remplacement d'une cellule peuvent s'effectuer à partir du sol, de sorte qu'il n' est pas nécessaire de prévoir de grands intervalles de service entre les cellules. En conséquence, les cellules sont placées tout près les unes des autres dans la rangée de cellules ; elles ne sont séparées que par un petit jeu suffisant pour permettre de soulever aisément une cellule défaillante et de mettre en place aisé- ment une nouvelle cellule.La sortie de cathode (6) peut entre en l'un quelconque de matériaux électriquement conducteurs convenables tels que, par exemple, de l'acier ou du cuivre, ou en diverses combinaisons de tels matériaux. Les connecteurs intercellulaires (4) et les connecteurs de contacteur (8) et (9) peuvent être, et sont de préférence, en matériaux de grande conductivité électrique, tels que du cuivre ou de l'aluminium, mais peuvent entre, et sont de preférence, réalisés sous la forme d'une pluralité de barres omnibus flexibles individuelles, ce qui facilite la connexion aux zones de contact et la dé connexion à partir de ces zones. La figure 2 représente une vue partielle du caté de la sortie de cathode (6) sur lequel les connecteurs intercellulaires (4) sont fixés. Dans cette construction particulière, chaque groupe de quatre connecteurs intercellulaires (4) se termine par une pièce de contact (13) qui est fixée au moyen de boulons (14), d'écrous (15) et de plaques de pression (16) à la zone de contact (10). Les pièces de contact (13) comprennent des languettes (17) qui servent à connecter les connecteurs de contacteur (9) alternativement, etc. La figure 3 représente une vue partielle du côté de la sortie de cathode (6) sur lequel es connecteurs de contacteur (8) peuvent etre fixés, c'est-à-dire du coté opposé à celui qui est représenté sur la figure 2. Dans cette construction particulière, les connecteurs de contacteur(8) sont fixés à la sortie de cathode (6) de telle manière que les axes des connecteurs de contacteur se trouvent exactement à égale distance des axes des pièces de contact (13). Avec cette disposition, on est assuré que les connecteurs de contacteur ne font pas obstacle aux boulons (14) et aux écrous (15) servant à fixer les pièces de contact- (13) sur le côté opposé de la sortie de cathode (6). La figure 4 représente une installation de salle d'électrolyse type comprenant une batterie de cellules suivant l'invention. La batterie comprend cent cellules nO 1, 2, 3,.., 10C, réparties en deux rangées. La batterie fonctionne à 100 kA, ce qui représente un taux de production quotidien d'environ 300 tonnes métriques de chlore, ce qui correspond à une capacité moyenne pour une installation de production de chlore. Chaque cellule a une largeur de 0,9 mètre et un jeu de 0,1 mètre est prévu entre les cellules, La longueur totale d'une rangée de cellules est donc de l'ordre de 50 mètres.La longueur des cellules est d'environ 5 mètres de sorte que, compte tenu de cette dimension et des couloirs de service à ménager entre les rangées de cellules et à l'extérieur deoelle-ci, une largeur d'environ 20 mètres de la salle d'électrolyse est nécessaire. En conséquence, l'encombrement au sol de cette batterie de 100 cellules est de tordre de 1000 mètres carrés. Les chiffres ci-dessus mettent en évidence les différents avantages de la présente invention. il est évident que toutes les opérations de connexion ou de déconnexion de cellules et d'un contacteur volant lors du remplacement d'une cellule peuvent être effectuées à partir du sol, où l'on dispose d'un espace suffisant autour du contacteur volant pour exécuter cette tâche aisément et avec sécurité. Dans les batteries de cellules de la technique antérieure, les opérateurs étaient contraints de procéder au remplacement d'une cellule à l'intérieur de l'étroit couloir de service entre les cellules avec une liberté de mouvement réduite pour la manipulation des outils et des pièces des connecteurs et une ex position au rayonnement calorifique intense des cellules.En con sequence, les batteries de cellules suivant l'invention offrent aux opérateurs des conditions de travail améliorées, qui garantissent plus de sécurité et une réduction des efforts physiques au cours des opérations de remplacement des cellules. En outre, les batteries de cellules suivant l'invention exigent beaucoup moins d'espace au sol que les batteries de cellules unipolaires de la technique antérieure. D'après l'exemple représenté sur la figure 4, l'encombrement au sol de cette batterie de 100 cellules fonctionnant à 100 kA est de l'ordre de 1000 mètres carrés. En comparaison, une batterie de cellules de la technique antérieure comportant le méme nombre de cellules, la méme dimension de cellules et la même intensité, disposée en deux rangées, exigerait un jeu entre les cellules d'au moins 0,6 mètre environ pour ménager l'intervalle de service nécessaire. En conséquence, avec une telle batterie de la technique antérieure, la longueur totale de la rangée de cellules serait de l'ordre de 75 mètres et, avec une largeur de 20 mètres de la salle d'électrolyse, l'encombrement au sol serait d'environ 1500 mètres carrés. On voit donc que, grâce à l'invention, pour des batteries de cellules assurant une production de chlore de 300 tonnes métriques par jour, on réalise une réduction d'encombrement au sol d'environ 500 mètres carrés. Plus généralement quel que soit le taux de production, des batteries de cellules suivant l'invention peuvent assurer des réductions d'encombrement au sol de près de 30% environ par rapport aux batteries de cellules unipolaires de la technique antérieure. Un autre avantage des batteries de cellules suivant l'invention est la réduction appréciable de la quantité de mat6- riau fortement conducteur nécessaire pour les connecteurs intercellulaires. Toujours en considérant l'exemple de la figure 4, pour un transfert de courant de 100 kA d'une cellule à l'autre, il est nécessaire de prévoir une section droite totale d'environ 500 cm2 pour les connecteurs intercellulaires Si l'on désire que ceux-ci soient en cuivre. Cette grande section droite est nécessaire pour limiter la chute de tension et la génération de chaleur provoquées par les connecteurs intercellulaires.Compte tenu de la différence de jeu intercellulaire entre une batterie de cel lules suivant l'invention et une batterie de cellules de la technique antérieure, différence qui est de 0,5 mètre, la réduction totale de la longueur des connecteurs intercellulaires de l'en- semble de la batterie est de l'ordre de 50 mètres, ce qui correspond à une économie de cuivre pour l'ensemble de la batterie de plus de 20 000 Kilogrammes, ce qui correspond à une réduction de coflt considérable. Plus généralement, quel que soit le taux de production, des batteries de cellules suivant l'invention permettent de réaliser des économies de cuivre de'ès de 2 kg environ par kA et par cellule par rapport aux batteries de cellules unipolaires de la technique antérieure. La réduction de longueur des connecteurs intercellulaires a pour conséquence une réduction des pertes de tension, des pertes de puissance et également de la génération de chaleur. Toujours dans l'exemple précédemment décrit, représenté sur la figure 4, des batteries de cellules suivant l'invention peuvent permet tre des économies de puissance de près de 15 kWh par tonne métrique de chlore produit, par rapport à des batteries de cellules unipolaires de la technique antérieure. La batterie de cellules unipolaires suivant l'invention telle qu'elle est décrite ci-dessus pour divers processus électrolytiques permet donc un fonctionnement amélioré des cellules, des exigences plus réduites en ce qui concerne les superficies au sol des salles d'électrolyse et en ce qui concerne la quantité de matériau extrêmement conducteur nécessaire, et par conséquent, réduit les investissements et les coûts d'exploitation par rapport à la technique antérieure. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit ; elle est susceptible de nombreuses variantes sans s'écarter pour autant de son cadre ou de son esprit. REVENDICATIONS 1. Batterie de cellules électrolytiques montées électriquement en série, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de cellules unipolaires à électrodes verticales disposées en au moins une rangée de façon que la sortie de cathode, les connecteurs intercellulaires et l'entrée d'anode s'étendent suivant la direction de la longueur de chaque cellule et au-dessous du fond de celle-ci et soit accessible à partir d'une zone de travail située au-dessous de la rangée de cellules, ladite batterie de cellules étant agencée de manière à pouvoir recevoir au moins un contacteur volant portatif placé au-dessous d'une rangée de cellules et mobile le long de l'axe de cette rangée, ledit contacteur volant portatif étant muni de connecteurs dont l'une des bornes peut être fixée à la sortie de cathode d'une cellule donnée quelconque et dont l'autre borne peut 8tre fixée à l'entrée d'anode de la cellule qui suit celle qui est située imme,diate- ment après ladite cellule donnée, la sortie de cathode, les connecteurs intercellulaires, l'entrée d'anode et les connecteurs de contacteur étant agencés de telle manière que, lors du démontage d'une cellule défaillante, toutes les opérations de connexion et de dé connexion du contacteur volant entre les cellules adjacentes à cette cellule défaillante et toutes les opérations de connexion et de dé connexion des connecteurs intercellulaires entre les cellules adjacentes puissent entre exécutées à partir de la zone de travail située au-dessous de la rangée de cellules. 2. Batterie de cellules électrolytiques suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la sortie de cathode, les connecteurs intercellulaires et l'entrée d'anode sont disposés uniformément, et transversalement, pratiquement sur toute la longueur des cellules. 3. Batterie de cellules électrolytiques suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les zones de contact de fixation des connecteurs intercellulaires et les zones de contact de fixation des connecteurs de contacteur sont prévues respectivement de part et d'autre de la sortie de cathode. 4. Batterie de cellules électrolytiques suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les pièces de contact des connecteurs de contacteur et les pièces de contact des connecteurs intercellulaires sont disposées alternativement transversalement à la longueur de la sortie de cathode. 5. Batterie de cellules électrolytiques suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le jeu entre deux cellules adjacentes quelconques des rangées de cellules est de 0,1 mètre ou moins.