Brevet FR2601043A1 — publié le 19880108

La présente invention concerne un procédé de reconfiguration d'une cellule électrolytique pour permettre une consommation plus faible de puissance tout en maintenant la capacité en courant prévue de la cellule. les cellules électrolytiques de la présente invention sont du type décrit dans le Brevet US nO 3 899 408 publié le 12 Août 1975 dont la description est incluse ici en référence. Des cellules électrolytiques sont largement utilisées à l'échelle industrielle pour la production de chlore, chlorures, soude caustique, hydrogène et autres produits chimiques similaires. D'une importance primordiale dans le contexte de cette invention sont les cellules chlore-alcali, en particulier les cellules à diaphragme chlore-alcali. Au départ les cellules à diaphragme chlorealcali ont été conçues pour fonctionner à des capacités en courant relativement faibles d'environ 10 000 ampères. Ces cellules ont des capacités de production relativement faibles en égard aux standards modernes. Des cel lules caractéristiques de ce type sont les cellules Hooker Type S, qui ont été développées par Hooker Chemical Corporation, Niagara Falls, New York, devenue par changement de nom, Occidental Chemical Corporation. Cette cellule particulière a été améliorée ensuite en augmentant sa capacité nominale en courant à environ 50 000 ampères avec l'augmentation correspondante en capacité de production. Ce type de cellule est encore utilisé industriellement et est décrit plus en détail dans Sconce, "Chlorine, Its Manufacture, Properties and Uses" , Monographie ACG, pages 94-97 (1962). D'autres conceptions de cellule ont été réalisées en vue d'augmenter l'efficacité de fonctionnement de la cellule, basée sur la consommation d'énergie électrique, et pour augmenter la capacité de production de la cellule de façon à obtenir une productivité plus élevée pour une surface de cellule donnée. Ceci a été obtenu dans une large mesure en modifiant ou en restructurant la cellule de façon à augmenter la capacité nominale'en courant. Cela à son tour, augmente directement la capacité de production de la cellule. Quand la capacité noninale en courant de la cellule est augmentée, cependant, il est nécessaire de maintenir des efficacités de fonctionnement élevées pour maintenir la rentabilité de production.-Un simple agrandissement des pièces composant une cellule conçue initialement pour fonctionner à une capacité de courant relativement basse pour pouvoir fonctionner à une capacité de courant supérieure ne permettra pas d'atteindre des efficacités de fonctionnement élevées. En conséquence, des modifications dans la conception de la cellule aussi bien que dans la conception de composants individuels- de la cellule sont souvent requises pour atteindre ce résultat. Ces améliorations de conception comprennent l'utilisation d'anodes expansibles et de structures de cathode de résistance, de distribution de courant et de dégagement de gaz hydrogène améliorées. Des cellules électrolytiques modernes de ce type sont capables de fonctionner à des capacités de courant de 150 000 ampères ou plus avec des capacités de production de 5 tonnes par åour ou plus de chlore ou d'hydroxyde de sodium et des efficacités de courant dépassant 95 %. Ce type de cellule est décrit plus en détail dans le Brevet US nO 3 899 408, publié le 12 Août 1975. La Figure 4 de ce brevet illustre la relation entre les cathodes et anodes et la cellule, ainsi que la structure de la cathode. Comme représenté sur cette figure, le doigt de cathode est physiquement sous la forme d'une boîte rectangulaire formée de plaques de métal conductrices poreuses qui fonctionnent en tant que cathodes individuelles.Un membre de renforcement métallique conducteur et ondulé est inclus dans le doigt de cathode et prolonge la longueur de la cathode. Ce membre ondulé est fixé au et est en contact électrique avec le doigt de cathode, et sert à fournir un support structural au doigt de cathode, de façon à maintenir une distribution de courant uniforme dans la cathode, et à ménager un espace pour le dégagement de gaz hydrogène. Des barres conductrices en cuivre sont prévues dans cette conception pour amener le courant à la cathode depuis une source externe de courant et pour aider à distribuer le courant dans la cathode. Cette cellule a été développée par Occidental Chemical Corporation et est désignée par le terme cellule H-4/75. Cette cellule a 75 anodes individuelles et peut fonctionner à une capacité de courant de 150 000 ampères ou plus. Plusieurs milliers de cellules H-4/75 ont été construites et sont normalement utilisées aux Etats Unis et à l'extérieur. A cause de la capacité élevée en courant de cette cellule, une quantité substantielle de puissance est consommée dans la fabrication de produits de cellule électrolytique, c'est-à-dire du chlore et de l'hydroxyde de sodium. Par exemple des taux de production industriels nécessitent de façon typique 3 000 kwh de courant continu par tonne métrique de chlore. Cela représente une quantité substantielle de puissance et, évidemment, toute modification de conception qui peut diminuer la consommation de puissance tout en maintenant la capacité noninale de courant et la production en produits de cellule est hautement souhaitable.Il serait aussi souhaitable de modifier seulement les composants internes de la cellule et ainsi- d'utiliser l'enveloppe extérieure de la cellule et sa structure portante pour un avantage maximal. Selon la présente invention, un procédé pour diminuer sensiblement la consommation de puissance d'une cellule électrolytique tout en maintenant la capacité nominale de courant est réalisé en augmentant le nombre de cathodes et d'anodes dans le corps de la cellule. Ceci est accompli en diminuant les dimensions latérales des doigts de cathode individuels, en allongeant le membre de renforcement métallique conducteur et en réduisant le diamètre des barres conductrices en cuivre à l'intérieur du doigt de cathode Cette modification permet d'utiliser sensiblement plus de cathodes et d'anodes à l'intérieur de la cellule, tout en maintenant l'espace existant entre anodes et cathodes et en maintenant un espace suffisant dans le doigt de cathode pour permettre un dégagement amélioré d'hydrogène de la cathode. Le remontage ultérieur de la cellule se traduit par une réduction substantielle de la consommation de puissance et une densité inférieure de courant de fonctionnement. De cette manière, le nombre d'anodes à l'intérieur de la cellule peut être augmenté de 75 à 93 éléments. Le procédé de la présente invention constitue, en son essence, une modification de la cellule électro lytique qui est décrite dans le Brevet US 3 899 408, publié le 12 Août 1975. La description suivante contient des références, à la fois par la description et les nombres, aux caractéristiques qui sont décrites dans le brevet ci-dessus. En se référant maintenant au brevet US 3 899 408, la Figure n de ce brevet est une vue de profil d'une cellule électrolytique qui peut être modifiée selon la présente invention. Les éléments structurels de base de la cellule incluent le toit de la cellule 12, qui peut être réalisé en matière plastique résistante à la corrosion, l'enceinte de cathode ou "compartiment de cellule 13, et la base de la cellule 14. Le toit de la cellule est fixé à l'enceinte de cathode qui à son tour est fixée à la base de la cellule. Les moyens de fixation ne sont pas permanents et permettent à ces éléments d'être séparés l'un de l'autre ce qui est requis pour réaliser la présente invention. En fonctionnement, la cellule est remplie d'un milieu électrolytique, de préférence une solution de saumure, et du courant est fourni à la cellule par l'intermédiaire de connexions électriques externes. les produits de la cellule sont évacués par les sorties situées sur les côtés de la cellule. Ces produits comprennent l'hydroxyde de sodium, le chlore et l'hydrogène gazeux. L'étape initiale de transformation de la cellule est de vider la cellule de la solution électrolytique et de débrancher les connexions électriques externes de la cellule. Le toit de cellule 12 est ensuite enlevé de la cellule par désassemblage del'enceinte de cathode. Après avoir enlevé le toit de la cellule, l'enceinte de cathode est désassemblée et enlevée de la base de la cellule. La structure d'enceinte de cathode inclut aussi la structure de barres conductrices de cathode 16 qui est fixée extérieurement à l'enceinte de cathode. Les doigts de cathode sont fixés à l'intérieur de l'enceinte de cathode qui les entourent. L'enceinte de cathode peut être enlevée de la base de cathode en utilisait un quelconque moyen adapté, tel qu'une grue ou un palan. La Figure 3 du Brevet US 3 899 408 est une vue de profil partielle agrandie de l'enceinte de cathode qui représente aussi la position relative des doigts de cathode dans la cellule. Comme représenté sur ce dessin, la cellule contient plusieurs doigts de cathode 44. Par exemple, une cellule H-4/75 contient 24 doigts de cathode individuels. Les doigts de cathode individuels sont couverts de diaphragmes 71. les diaphragmes sont habituellement déposés directement sur les cathodes à partir d'une solution de matériau fibreux maintenue sous vide. L'espace entre les cathodes et diaphragmes adjacentes reçoit les anodes qui sont montées directement sur la base de la cellule. les anodes 72 sont disposées en trois rangées parallèles entre les éléments de cathode adjacents. De cette manière, une cellule H-4/75 contient 75 anodes individuelles. les doigts de cathode 44 sont fixés à la paroi latérale 17 de l'enceinte de cathode 13 de n'importe quelle manière adaptée, comme par le soudage de moyens de renforcement 45 de doigt de cathode à la paroi latérale 17. Un doigt'de cathode 44 comprend des moyens de renforcement en métal ondulé 45 et des plaques 46 d'acier opposées perforées qui sont fixées de toute-manière quelconque adaptée1 telle que le soudage. Une bride d'acier perforée 47 est fixée à la fois à la paroi latérale 17 et aux plaques de cathode 46 pour fermer la chambre périphérique 48. Après démontage et enlèvement de l'enceinte de cathode de la base de la cellule, les doigts de cathode sont sortis de l'enceinte de cathode. Cela peut être réalisé en sciant ou coupant au chalumeau la bride de cathode ou la bride d'acier perforée 47 autour de la périphérie interne de l'enceinte de cathode et en coupant ensuite les points de liaison des doigts de cathode à l'enceinte de cathode. Les doigts de cathode existants sont alors sortis de l'enceinte. De nouveaux doigts de cathode sont fabriqués en utilisant de nombreux composants qui ont été utilisés pour fabriquer les doigts originaux. Comme c'est représenté sur la Figure 4 du Brevet U.S. 3 899 408 qui est une vue de profil partielle agrandie des doigts de cathode et de l'enceinte de cathode, les doigts individuels sont formés de paires de plaques perforées en mé- tal conducteur parallèles et adjacentes. Dans une cellule H-4/75, ces plaques habituellement espacées l'une de l'autre d'environ 3,49 cm . Les nouveaux doigts de cathode ont des largeurs plus étroites d'environ 2,74 cm. Cette largeur plus étroite permet de placer 30 doigts de cathode dans l'enceinte de cathode. Les nouveaux doigts de cathode sont semblables en apparence et construction aux doigts de cathode d'origine, sauf que la dimension latérale ou la largeur des doigts de cathode a été diminuée. Pour former cette structure plus étroite, un nouveau moyen de renforcement 45 en métal conducteur ondulé est nécessaire. Le nouveau moyen de renforcement de doigt de cathode est légèrement plus étroit et plus allongé que le moyen de renforcement d'origine. Cependant, le nombre de points de contact électrique entre le moyen de renforcement et les plaques de métal conducteur restent les mêmes. Le diamètre des barres en cuivre 62 conduisant le courant à l'intérieur a aussi été réduit légèrement. La configuration générale globale du doigt de cathode demeure la même que celle de la pièce d'origine. L'espace défini entre les moyens de renforcement et les plaques perforées est approximativement le même que celui ménagé dans la conception originale. Cet espace délimite un canal de gaz hydrogène dans le doigt de cathode et donne un espace adapté pour le dégagement du gaz hydrogène depuis le doigt de cathode. La cellule reconfigurée a une densité de courant un peu inférieure à celle de la cellule originale. Par exemple, la nouvelle cellule, qui est désignée par le terme de cellule H-4/93, e une densité de courant d'environ 0,185 A/cm2 . Ceci est à comparer à une densité de courant de 0,232 A/cm2 dans la cellule H-4/75. Ces deux densités de courant sont basées sur une capacité de courant minimale équivalente de 150 000 ampères. Les nouveaux doigts de cathode sont réinstallés dans l'enceinte de cathode d'une manière similaire à l'installation des doigts de cathode d'origine. Une nouvelle bride de cathode 47 est aussi installée entre les doigts de cathode et la paroi latérale de l'enceinte de cathode. Des éléments d'anode supplémentaires sont requis pour la nouvelle configuration puisqu'il faut que les anodes soient positionnées entre des doigts adjacents de cathode. les anodes supplémentaires sont fixées à la base de la cellule de toute manière adaptée telle que boulonnage ou soudage. l'enceinte de cathode peut être replacée par refixation à la base de la cellule. Le toit de cellule est ensuite réinstallé et fixé à l'enceinte~de cathode. Après connexion des contacts électriques, la cellule peut être mise en service dans le circuit. Le tableau suivant illustre la performance améliorée de la cellule de la présente invention en compa- raison de la cellule de la technique antérieure. Les deux cellules fonctionnent à une capacité de courant nominale d'environ 150 000 ampères et produisent la même quantité de produit-de cellule. Cependant, la nouvelle cellule a une consommation de puissance réduite ainsi qu'une densité de courant réduite de manière significative. TABLEAU H 4/75 H 4/93 Cellule de Cellule de 150 000 Ampères 150 000 Ampères Efficacité de courant 96,40 94,26 Tension moyenne de Cellule - volts 3,830 3,368 Consommation KWH/Tonne de Cl2 2809 2526 Température de Liqueur de Cellule - C 100,7 91 Température d'Anolyte - C 94,7 88 Pourcentage de NaOH dans la Liqueur de Cellule 11,5* 11,5 Production de Chlore - Tonnes/Jour 5,06 5,06 Production de NaOH - Tonnes/Jour 5,71 5,71 Alimentation en Saumure - Grammes/Litre 325 325 Densité de Courant - Ampère/ cm2 0,232 0,187 * Les cellules peuvent fonctionner à une teneur inférieure en soude caustique dars la liqueur de cellule. Cela a pour conséquence de plus grandes efficacités de courant. En plus des avantages ci-dessus, la nouvelle cellule électrolytique a les avantages supplémentaires suivants. La densité de courant inférieure produit des bulles de gaz chlore plus petites à l'anode qui sont éliminées plus facilement de la surface de l'anode. Cela améliore l'efficacité anodique. De manière similaire, le dégagement d'hydrogène à la cathode est aussi amélioré et cela se traduit par du chlore ayant une teneur en hydrogène inférieure, ce qui est une amélioration significative du produit. En plus la densité de courant inférieure se traduit par une température inférieure de la liqueur de cellule, ce qui réduit la corrosion des pièces métalliques et allonge la durée de vie du toit de la cellule en matière plastique et du revêtement en caoutchouc de l'anode. Alors que de nombreux modes de réalisation de la présente invention ont été décrits, cette invention doit être interprétée de manière libérale et ne doit pas être limitée par un quelconque mode de réalisation spécifique, ce que comprendront facilement les hommes du métier. On doit donc comprendre que les revendications annexées sont prévues pour couvrir toutes les modifications et les variations qui sont dans l'étendue et l'esprit de la présente invention. Sur les figures - la figure l reproduit la figure 1 du brevet US 3.899.408 - la figure 2 reproduit la figure 3 du brevet US 3.899.408 - la figure 3 reproduit la figure 4 du brevet US 3.899.408. - REVENDICATIONS 1 - Procédé de diminution de la consommation de puissance d'une cellule électrolytique à la capacité nominale en courant de la cellule, cette cellule ayant de nombreux doigts de cathode, chaque doigt de cathode comprenant des paires de plaques opposées de métal conducteur, perforées disposées de part et d'autre, formant l'extérieur de la structure du doigt de cathode et un moyen de renforcement en métal conducteur ondulé fixé alternativement aux et en contact électrique avec les surfaces internes de chaque plaque de métal conducteur perforé, ce moyen de renforcement définissant un canal de gaz hydrogène dans le doigt de cathode, ce procédé comprenant les étapes consistant à :: (a) enlever le toit de cellule de la cellule, (b) séparer l'enceinte de cathode de la base de la cellule, (c) enlever les doigts de cathode de l'enceinte de ca thode, (d) replacer les doigts de cathode existants dans l'en- ceinte de cathode avec un nombre accru de nouveaux doigts de cathode, ces nouveaux doigts de cathode ayant un espacement plus étroit entre les plaques de métal conducteur que ce qu'il est dans les doigts de cathode existants, (e) fournir un nombre d'anodes accru fixées à la base de la cellule correspondant au nombre accru de doigts de cathode, (f) refixer l'enceinte de cathode à la base de la cel lule, ce qui positionne les doigts de cathode entre les anodes adjacentes, et (g) replacer le toit de la cellule. 2 - Procédé selon la revendication 1 dans lequel la cellule originale contient 75 anodes et 24 doigts de cathode, et la cellule modifiée a 93 anodes et 30 doigts de cathode. 3 - Procédé selon la revendication 2 dans lequel les cellules originaleset nouvelles ont toutes deux une capacité de courant d'environ 150 000 ampères. 4 - Procédé de la revendication gdans lequel la densité de courant anodique est d'environ 0,185 A/cm2. 5 - Procédé de la revendication 1 dans lequel les nouveaux doigts de cathode contiennent des moyens de renforcement conducteurs ondulés de plus grande longueur. 6 - Procédé selon la revendication 5 dans lequel les nouveaux doigts de cathode contiennent des barres de cuivre conductrices de diamètre réduit. 7 - Procédé selon la revendication 1 dans lequel les membres d'anode sont des anodes dilatables.