Brevet FR2476147A1 — publié le 19810821

2-476147. -1 - 24 7614 Procédé d'électrolyse d'une solution aqueuse d'halogénure de métal alcalin dans une cellule à cathode de mercure La présente invention a pour objet un procédé d'électrolyse d'une solution aqueuse d'halogénure de métal alcalin, en particu- lier une saumure de chlorure de sodium, dans une cellule d'électro- lyse dont la cathode est formée d'une nappe de mercure en écoule- ment sur une sole inclinée. Une difficulté importante rencontrée dans l'exploitation des cellules d'électrolyse à cathode de mercure, réside dans la formation intempestive d'amas visqueux adhérant à la sole des cellules et dénommés habituellement "gros mercure" ou "beurre de mercure". La formation de ces amas de gros mercure adhérant à la sole des cellules d'électrolyse est mal connue, et elle est particu- lièrement défavorable au bon fonctionnement de celles-ci. Ces amas de gros mercure perturbent en effet l'écoulement régulier de la cathode de mercure sur la sole avec, comme conséquence néfaste, la possibilité de courts-circuits fortuits entre le mercure et les anodes et d'un dégagement d'hydrogène dans la cellule. Pour remédier à ces inconvénients, on propose, dans le brevet belge 800 615 du 7 juin 1973 au nom de la Demanderesse, de faire vibrer périodiquement la sole de la cellule, de manière à 2 476147 -2 - détacher les amas de gros mercure adhérant à la sole et de facili- ter leur évacuation hors de la cellule par entraînement avec le courant de mercure ou d'amalgame. On a maintenant trouvé qu'on pouvait améliorer grandement l'efficacité de ce procédé connu, si on fait vibrer la sole de la - cellule selon une méthode partieulière. L'invention concerne dès lors un procédé d'électrolyse d'une solution aqueuse d'halogénure de métal alcalin dans une cellule d'électrolyse dont la cathode est une nappe de mercure en écoule- ment sur une sole inclinée de la cellule, dans lequel on fait vibrer la sole; selon l'invention, on fait vibrer séparément des zones distinctes de la sole. Dans l'exécution du procédé selon l'invention, les vibrations mises en oeuvre doivent être à la fois suffisantes pour détacher les amas de gros mercure qui adhèrent à la sole de la cellule dans la zone considérée, mais insuffisantes pour provoquer des projections de gouttelettes de mercure dans la cellule ou des contacts intempestifs de la nappe de mercure avec les anodes de la cellule. Le choix de la fréquence et de l'amplitude des vibrations dépend dès lors d'un grand nombre de facteurs, parmi lesquels figurent notamment la nature du matériau de la sole et sa rugosité, la viscosité de la nappe de mercure, ainsi que son épaisseur et sa vitesse d'écoulement sur la sole, la direction des vibrations. Il doit 9tre établi dans chaque cas particulier par un travail de routine. Les vibrations peuvent être parallèles à la sole ou présenter une composante perpendiculaire à celle-ci. Dans le cas de vibra- tions présentant une composante parallèle à la sole, cette compo- sante vibratoire peut être parallèle, perpendiculaire ou oblique par rapport à la direction d'écoulement de la nappe de mercure. On préfère toutefois, selon l'invention, utiliser des vibra- tions ayant une composante verticale ou perpendiculaire à la sole. 2 476 147 -3 - D'une manière générale, la méthode mise en oeuvre pour faire vibrer la sole de la cellule n'est pas critique. On peut par exemple faire usage indifféremment de vibrateurs à fonctionnement mécanique ou électromagnétique, tels que ceux communément utilisés dans les techniques de criblage des minerais et charbons. Les vibrateurs peuvent être noyés dans la nappe de mercure et appliqués contre la face supérieure de la sole. Pour des raisons de commodité, on préfère toutefois disposer les vibrateurs contre la face inférieure de la sole. D'une manière générale, dans le cas de cellules d'électrolyse industrielles, on obtient habituellement de bons résultats avec des vibrations verticales développant des efforts sur la sole, de l'ordre de 10 000 à 150 000 N, de préférence de 20 000 à 75 000 N, à une fréquence comprise entre 50 et 1000 Hz, de préférence entre 150 et 300 Hz. On entend désigner par "zone de vibrations", une zone de la surface de la sole, que l'on soumet, indépendamment de la surface restante de la sole, à des vibrations d'intensité et de fréquence suffisantes pour détacher les amas de gros mercure qui pourraient adhérer en un endroit quelconque de ladite zone et permettre leur entraînement par la nappe de mercure, hors de ladite zone. Dans le procédé selon l'invention, le nombre de zones de vibrations doit de préférence être suffisant pour qu'ensemble, celles-ci recouvrent la totalité de la sole de la cellule. En variante, plusieurs zones peuvent éventuellement se chevaucher. Le choix optimum du nombre et des dimensions des zones de vibrations dépend de divers facteurs, parmi lesquels figurent notamment la longueur de la cellule, l'épaisseur de la nappe de mercure ainsi que sa viscosité et sa vitesse d'écoulement sur la sole, la nature du matériau de la sole ainsi que sa rugosité et son élasticité, la pente de la sole, l'importance de la formation d'amas de gros mercure et le choix de la fréquence et de l'inten- sité des vibrations. Il peut être établi facilement dans chaque cas particulier par un travail de routine. -4 - D'une manière générale, dans le cas o les zones de vibrations sont disposées l'une derrière l'autre entre les extrémités d'amont et d'aval de la nappe de mercure, on obtient habituellement de bons résultats lorsque la longueur de chaque zone est comprise approximativement entre 0, 5 et 10 m, de préférence entre 2-et 7 m. Selon une première forme de réalisation de l'invention, on peut faire vibrer simultanément plusieurs zones distinctes de la sole de la cellule en utilisant des caractéristiques de vibrations qui varient d'une zone à l'autre, par exemple-des fréquences ou des amplitudes de vibrations différentes. - On préfère toutefois, selon une autre forme de réalisation de l'invention, faire vibrer successivement plusieurs zones distinctes de la sole, qui sont disposées l'une derrière l'autre, entre l'extrémité d'amont et l'extrémité d'aval de la nappe de mercure. Cette forme de réalisation de l'invention présente généralement l'avantage de permettre une évacuation régulière du gros mercure vers l'extrémité d'aval de la cellule, sans perturber l'écoulement normal de la nappe de mercure ni le fonctionnement normal de la cellule. Dans l'exécution de cette forme de réalisation préférée de l'invention, l'intervalle de temps optimum qu'il convient de respecter entre la vibration d'une zone et la vibration de la zone suivante est celui mis par les amas de gros mercure pour passer de la zone qui vient d'être vibrée à la zone suivante. D'une manière générale, on choisit avantageusement un intervalle de temps approximativement égal au temps mis par la nappe de mercure pour parcourir la longueur de la zone que l'on vient de faire vibrer. Un premier mode d'exécution de cette forme de réalisation préférée de l'invention consiste par exemple à faire vibrer les zones de la sole, successivement depuis l'extrémité d'amont jusqu'à l'extrémité d'aval de la nappe de mercure. En pratique, on a toutefois observé qu'il était préférable de faire vibrer les zones de la sole, successivement depuis -5 - l'extrémité d'aval jusqu'à l'extrémité d'amont de la nappe de mercure. Dans un mode d'exécution du procédé selon l'invention, qui s'est révélé spécialement avantageux, on fait vibrer les zones de la sole successivement depuis l'extrémité d'aval jusqu'à l'extrémi- té d'amont de la nappe de mercure, puis on les fait vibrer succes- sivement depuis l'extrémité d'amont jusqu'à l'extrémité d'aval. Toutes autres choses étant égales, ce mode d'exécution préféré du procédé selon l'invention permet d'optimaliser l'éva- cuation du gros mercure hors de la cellule, en ramenant à une valeur minimum le risque d'une perturbation du procédé d'électro- lyse. Des particularités et détails de l'invention ressortiront de la description suivante d'une forme de réalisation particulière de l'invention, en référence au dessin annexé. La figure 1 est une vue schématique en élévation longitudinale, avec arrachement partiel, d'une cellule d'électrolyse à cathode de mercure, conçue pour l'application du procédé selon l'invention; La figure 2 est une représentation schématique en plan de la distribution des zones de vibrations de la sole de la cellule de la figure 1. Dans ces figures, des mêmes notations de référence désignent des éléments identiques. La cellule d'électrolyse représentée à la figure 1, comprend une auge 1 obturée par un couvercle 2. L'auge 1 est délimitée par des piedroits longitudinaux 3, des parois transversales d'extrémité 4 et une sole 5 en acier présentant une pente modérée, par exemple de l'ordre de 6 mm par mètre courant. L'auge 1 repose, par l'intermédiaire de la sole 5, sur des supports élastiques 18 fixés à une embase 19 généralement en béton. Des anodes 8 sont suspendues dans la cellule, vis-à-vis de la sole 5, par des bâtonnets 9 traversant de manière étanche le couvercle 2 et jouant en outre le rôle de conducteurs électriques aux anodes. -6 - La cellule est raccordée, près de l'extrémité d'amont de sa sole 5, à un conduit d'admission 10 du mercure destiné à former la cathode Il s'écoulant sur la sole 5. Près de son extrémité d'aval, la cellule est en communication avec un conduit d'évacua- tion 12 de l'amalgame de métal alcalin formé par électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de ce métal alcalin entre les anodes 8 et la cathode 11. Cette solution, par exemple une saumure de chlorure de sodium ou de potassium, est introduite dans la cellule via un conduit d'admission 13, tandis que la solution épuisée après l'électrolyse, est soutirée hors de la cellule par un conduit d'évacuation 14. La cellule est également munie d'un conduit 15 pour l'évacuation du chlore dégagé aux anodes. Une série de vibrateurs 20, 21,-22, 23,..., 24, 25, 26 sont alignés entre l'extrémité d'amont et l'extrémité d'aval de la sole 5 et appliqués contre la face inférieure de celle-ci. Leurs positions respectives et leur orientation sont choisies en fonction de leur puissance, de manière que lorsqu'ils sont actionnés simultanément, ils soient capables de soumettre la totalité de la sole 5 à des vibrations verticales d'intensité suffisante pour détacher des amas de gros mercure adhérant normalement à la sole, mais insuffisante pour provoquer des projections de gouttelettes de mercure dans la cellule ou des contacts intempestifs du mercure avec les anodes. Pris isolément, chaque vibrateur 20, 21, 22, 23,..., 24, , 26 contr8le de la sorte une zone limitée de la sole 5 de la cellule; ces zones, qui sont contiguës, sont schématisées respecti- vement en 27, 28, 29, 30,..., 31, 32, 33 à la figure 2. Par définition, chacune de ces zones, par exemple la zone 29, est la partie de la surface de la sole 5 de laquelle des amas de gros mercure peuvent normalement être détachés et évacués par entrat- nement dans la nappe de mercure 11, par actionnement uniquement du vibrateur disposé à l'aplomb de ladite zone, en l'occurence le vibrateur 22 dans le cas de la zone 29. -7 - En pratique, on peut généralement obtenir un résultat satis- faisant en maintenant un écart uniforme d'environ 3 à 5 m entre deux vibrateurs successifs, tels que 21 et 22 par exemple, de sorte que la longueur des zones de vibrations soient également de cet ordre de grandeur. Les vibrateurs 20, 21, 22, 23,..., 24, 25, 26 peuvent avantageusement être des vibrateurs à fonctionnement mécanique, capables de soumettre la sole 5 de la cellule à des efforts verticaux de bas en haut, par exemple des percussions, de l'ordre de 40 000 à 60 000 N, à une fréquence de l'ordre de 140 à 250 Hz. En variante, on peut également faire usage de vibrateurs à fréquence plus élevée, par exemple de l'ordre de 300 Hz, développant des efforts moins élevés, par exemple de l'ordre de 25 000 N. Des vibrateurs à fonctionnement mécanique utilisables dans le cadre de l'invention sont ceux du type à excentrique ou à balourd, équipant généralement les cribles vibrants (Techniques de l'Ingé- nieur, Généralités, A 904-5, juillet 1964, parag.4, 72). Une autre catégorie de vibrateurs à fonctionnement mécanique qui conviennent bien dans le cadre de l'invention est formée de ceux qui équipent habituellement les cribles à chocs, et dans lesquels des masses de percussion sont projetées de bas en haut contre la sole 5 de la cellule, par des mécanismes à cames ou à rochets (dito, parag.4, 6). Les vibrateurs tels que 20, 21, 22,..., 26 peuvent être tous identiques ou, en variante, ils peuvent être de puissance différente. Dans ce dernier cas, les zones de vibrations de la sole, telles qu'elles sont définies plus haut, ont des longueurs différentes. Selon l'invention, pendant le fonctionnement de la cellule, on actionne périodiquement les vibrateurs selon un cycle de fonctionnement bien défini. A cet effet, on actionne d'abord le vibrateur d'aval 26, par exemple pendant une durée de 15 à 30 secondes, les autres vibrateurs étant à l'arrêt, de sorte que seule la zone d'aval 33 de la sole soit le siège de vibrations d'intensité suffisante pour en détacher les amas de gros mercure qui pourraient y adhérer et permettre leur entraînement par la -8 - nappe de mercure. Après arrêt du vibrateur d'aval 26, on actionne le vibrateur 25 qui le précède immédiatement, également pendant à 30 secondes, de sorte que ce soit cette fois la zone 32 de la sole 5 de la cellule qui soit le siège de vibrations d'inten- sité suffisante pour en détacher d'éventuels amas de gros mercure. On procède ensuite d'une manière identique et de proche en proche, pour tous les autres vibrateurs 24,..., 23, 22, 21, jusqu'au vibrateur d'amont 20. Cette manière de procéder a pour résultat que toutes les zones 33, 32, 31, ., 30, 29, 28, 27 de la sole 5 sont mises à vibrer successivement et dans l'ordre depuis l'extrémité d'aval jusqu'à l'extrémité d'amont de la sole. Les amas de gros mercure adhérant à la sole 5 de la cellule sont de la sorte détachés progressivement et de proche en proche depuis l'extrémité d'aval jusqu'à l'extrémité d'amont de la sole et évacués hors de la cellule par entraînement dans la nappe de mercure 11, via le..DTD: conduit 12. A l'issue du cycle de vibrations d'aval en amont qui vient d'être décrit, on peut recommencer un cycle identique de vibra- tions, d'aval en amont. Le délai à respecter entre l'arrêt-du vibrateur d'amont 20, à la fin d'un cycle, et le démarrage du vibrateur d'aval 26 au début du cycle suivant dépend notamment de la longueur de la cellule, du nombre de vibrateurs, de la durée globale d'un cycle de vibrations et de la vitesse de formation des amas de gros mercure sur la sole. Selon les cas, il peut varier de quelques minutes à plusieurs heures. En variante, dans les cas critiques de cellules qui sont le siège d'une formation importante d'amas de gros mercure, il peut parfois s'avérer nécessaire de démarrer un nouveau cycle de vibrations d'aval en amont, avant que le cycle précédent soit terminé. Selon une variante préférée du procédé qui vient d'être décrit en référence aux figures, à l'issue du cycle de vibrations de l'aval vers l'amont de la sole 5, on démarre un cycle de vibrations de l'amont vers l'aval; à cet effet, après avoir actionné séparément et successivement les vibrateurs 26, 25, 24, 2476 147 9 9- 23, 22, 21 puis 20, on actionne séparément et dans l'ordre suivant, les vibrateurs 20, 21, 22, 23,..., 24, 25 puis 26. Cette variante de l'invention assure un nettoyage optimum de la sole 5 de la cellule et une évacuation régulière et optimum des amas de gros mercure hors de la cellule, tout en réduisant à une valeur minimum les perturbations dans l'écoulement de la nappe de mercure et, par voie de conséquence, dans le déroulement de l'électrolyse. Toutes autres choses égales, elle permet par ailleurs des distances anodes-cathodes minimum. 2 476147 - 10 - R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Procédé d'électrolyse d'une solution aqueuse d'halogénure de métal alcalin dans une cellule d'électrolyse dont la cathode est une nappe demercure en écoulement sur une sole inclinée de la cellule, dans lequel on fait vibrer la sole, caractérisé en ce qu'on fait vibrer séparément des zones distinctes de la sole. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones de la sole, que l'on fait vibrer séparément, sont contiguës. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les zones distinctes de la sole, que l'on fait vibrer séparé- ment, sont disposées l'une derrière l'autre entre l'extrémité d'amont et l'extrémité d'aval de la nappe de mercure. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on fait vibrer les zones de la sole successivement. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on fait vibrer les zones successivement depuis l'extrémité d'aval jusqu'à l'extrémité d'amont de la nappe de mercure. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'après avoir fait vibrer les zones de la sole successivement depuis l'extrémité d'aval jusqu'à l'extrémité d'amont de la nappe de mercure, on les fait vibrer successivement depuis l'extrémité d'amont jusqu'à l'extrémité d'aval de la nappe de mercure. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on fait vibrer les zones de la sole à une fréquence comprise entre 150 et 300 Hz. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on fait vibrer les zones de la sole en développant des efforts verticaux compris entre 20 000 et 75 000 N. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on fait vibrer chaque zone pendant une durée comprise entre 15 et 30 s. - il - - Procédd selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'entre la vibration d'une zone et la vibration de la zone suivante, on maintient un intervalle de temps égal au temps mis par la nappe de mercure pour parcourir la longueur de la zone que l'on vient de faire vibrer.