Brevet FR2604449A1 — publié le 19880401

Cathode pour les cuves d'électrolyse à diaphragme La présente invention concerne une cathode qui est destinée aux cuves d'électrolyse à diaphragme. On connait diverses formes de réalisation de cuves d'électrolyse de ce type qui sont fabriquées par divers constructeurs. Elles servent essentiellement à la fabrica- tion du chlore par voie électrolytique et leurs cathodes, comme décrit dans le brevet allemand n 1.567.308, comprenent : une pluralité de tubes de cathode à section ovale allongée qui sont parallèles entre eux et entre lesquels on peut introduire une série de plaques anodiques parallèles entre elles ; des plaques à tubes sur ses deux côtés longitudinaux, lesquelles présentent des fenêtres allongées dans chacune desquelles est soudée l'extrémité d'un tube ; une paroi latérale longitudinale sur chacun de ces côtés longitudinaux, qui est disposée à distance de la plaque à tubes correspondante, parallèlement à elle, et qui coopère avec des parois frontales pour constituer la partie inférieure de la cuve destinée à recevoir les électrodes et l'électrolyte ; des barres de répartition du courant qui sont montées extérieurement sur les deux parois latérales, qui s'étendent sur toute la longueur de ces dernières et dont les extrémités sont reliées entre elles par des barres de retour du courant adjointes aux parois frontales ; un diaphragme ainsi que des entrées et des sorties pour l'électrolyte et des barres de raccordement pour l'amenée et le retour du courant, chacune de ces barres de raccordement étant vissée sur les barres de répartition et ces dernières étant vissées à leur tour sur les barres conductrices d'arrivée. Sur les cathodes de ces cuves connues, la barre de répartition du courant qui s'étend d'une extrémité frontale à l'autre sur toute la longueur de la paroi latérale, est directement soudée ou enfoncée dans la paroi latérale. Cette dernière constitue, avec la plaque à tubes disposée en face d'elle et å distance, et avec les éléments de cloison inférieurs et supérieurs, une boite creuse qui s'étend sur toute la longueur de la paroi latérale de la cathode et sur la hauteur de la partie inférieure de celle-ci. Ces boîtes qui s'étendent des deux côtés délimitent un volume qui est occupé par les tubes de cathode, le diaphragme et, lors du fonctionnement, les anodes.Les parois latérales, les plaques à tubes et les éléments de paroi supérieurs et inférieurs qui ferment les boîtes latérales sont faits du matériau de base de la cathode, et I de préférence, en acier, cependant que les barrer de répartition du courant sont en cuivre. A partir de ces dernières, le courant arrive dans les parois latérales, et il s'écoule vers le haut et vers le bas dans les éléments de parois supérieurs et inférieurs, puis, a partir de ceux-ci, dans les espaces situés entre les fenêtres des plaques à tubes, et il arrive ainsi des deux côtés aux tubes de cathode. Les parties constitutives des boîtes sont soudées rigidement les unes aux autres.Les barrer de répartition du courant qui étendent sur les deux parois latérales sont reliées entre elles par des étriers de retour du courant qui s'étendent sur les parois frontales. a distance de celles-ci, qui recouvrent les extrémités des barres de répartition du courant et qui sont boulonnés sur ces extrémités. Les cathodes de ce genre ont largement fait leurs preuves. Néanmoins, il s'est avéré que l'on observe certains inconvénients et certains défauts lors de leur fonctionnement, en particulier sur de longues périodes. Un inconvénient consiste en ce que l'intérieur de la cathode est difficilement accessible lorsque l'on veut l'inspecter ou l'entretenir. En outre, des détériorations se manifestent à la cathode par l'apparition de microfissures, en particulier dans les cordons de soudure qui conduisent le courant. Cette apparition de microfissures, et en particulier de fissures transversales, dépend notamment du mode de fabrication et de la réalisation matérielle des cordons de soudure de la cathode. Il s'est avéré, en outre, que les défauts dûs å la corrosion apparaissent sur les tubes de cathode à section ovale allongée dans les régions où ces tubes sont montés sur leur plaque à tubes, et, en particulier, dans la zone où le niveau de la solution électrolytique varie. La cause de cette corrosion n'est pas exactement connue. On peut cependant supposer qu'elle résulte essentiellement de phénomènes électrochimiques qui sont provoqués par des irrégularités dans la répartition du courant et/ou par des différences de potentiels électriques. Le but de l'invention est de supprimer les problèmes et les difficultés qui viennent d'être évoqués, ou, tout au moins, de les atténuer, et de perfectionner une cathode du genre spécifié ci-avant de façon à éviter ou à diminuer l'apparition de corrosion par fissures de tension, ainsi que l'intervention de phénomènes électrochimiques favorisant la corrosion. Selon l'invention, ce but est atteint grâce au fait que chacune des portions en saillie d'une bande en forme de peigne qui s'étend entre la plaque à tubes et la paroi latérale correspondante est soudée. rigidement sur les surfaces extérieures des espaces situés entre les fenêtres allongées en regard des deux plaques à tubes, cette bande s'étendant d'une extrémité frontale a l'autre de la cuve, et la barre de répartition du courant étant reliée 9 sa partie extérieure continue Gracie aux bandes en forme de peigne qui font saillie perpendiculairement à travers les boîtes latérales, le courant est amené directement, et par le chemin le plus court, des barres de répartition du courant aux espaces entre les fenêtres allongées des plaques à tubes.Avantageusement, deux de ces bandes sont disposées dans chacune des parties en forme de boîte, et ce, a une distance l'une de l'autre qui est déterminée par la largeur de la barre de répartition du courant. De cette façon, on obtient une amenée de courant directe et considérablement plus favorable, ainsi qu'une répartition du courant nettement meilleure et plus uniforme avec une chute de tension plus faible sur les plaques a tubes, et donc sur les tubes de cathode.Ainsi, on supprime, ou, à tout le moins, on atténue fortement les phénomènes électrochimiques favorisés par une répartition du courant non uniforme, avec pour conséquence que l'on évite dans une large mesure les défauts dus à la corrosion que l'on observait jusqu'alors sur les extrémités des tubes de cathode au voisinage des extrémités de ces derniers dans la zone de variation du niveau de la solution électrolytique. Un autre avantage important consiste en ce que la barre de répartition du courant est reliée directement aux bandes en forme de peigne, et non plus à la paroi latérale, de sorte que cette dernière ne contribue plus à la répartition du courant. Il est ,en outre,possible d'éviter des cordons de soudure entre la paroi latérale et les parties transversales adjacentes de la paroi dans la région des parois frontales, de la partie supérieure et de la partie inférieure, ce qui supprime des cordons de soudure très étendus et les tensions qu'ils entraînent. On évite ainsi les fissures que l'on observait jusqu'alors après une longue durée de fonctionnement, notamment dans la région des cordons de soudure conduisant le courant, et la durée de vie de la cathode s'en trouve considérablement augmentée. Comme il n'est plus nécessaire de souder la paroi latérale aux parties adjacentes, elle peut être remplacée par des éléments de couverture que l'on peut rendre solidaires des éléments de cloison adjacents et dont chacun s'étend sur toute la longueur de la cuve. La liaison s'effectue, de préférence / par vissage avec interposition d'une bande d'étanchéité. Les perçages filetés correspondants sontX de préférence, des trous borgnes partiqués au coeur de la matière, cependant que l'on utilisez de préférence, des bandes d'étanchéité en graphite. Ce mode de montage des éléments de couverture permet de pénétrer a l'intérieur de la cathode lorsque l'on veut l'inspecter ou la réparer. On peut encore améliorer l'uniformité de la répartition du courant et éviter l'apparition de potentiels électriques indésirables en remplaçant les barres latérales de répartition du courant. Il suffit pour cela de prolonger les ailes des barres de retour du courant en forme d'étriers qui sont associées aux parois frontales, et ce, de telle façon que ces ailes viennent en affleurement l'une par rapport å l'autre, recouvrent à elles deux toute la longueur des parois latérales et constituent ainsi en même temps la barre de répartition du courant. Gracie à cette forme de réalisation, on évite plusieurs liaisons par vis qui étaient présentes jusqu'alors dans la région de l'arrivée du courant, ce qui améliore encore la répartition de celui-ci, puisque, théoriquement, seule la résistance électrique du cuivre peut conduire à des chutes de tension. De préférence, ceci est réalisé de telle sorte que l'on conserve la répartition antérieure des trous des vis, ainsi que leur distance et leur diamètre, tels qu'ils sont déterminés à l'avance par les barres de raccordement à la source de courant. De même, le contour et les dimensions extérieures de la cathode en tant que tels sont maintenus inchangés pour l'essentiel. Les bandes en forme de peigne sont faites dans la même matière que la cathode, et, par exemple, en un acier R St 37-2 selon la norme allemande DIN 17100. Le revêtement en cuivre de ces bandes peut présenter une épaisseur de 5 mm environ. La description qui va suivre, et qui ne présente aucun caractère limitatif, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. Elle doit être lue en regard des dessins annexés, parmi lesquels: - Les figures 1 et 2 prises ensemble représentent une vue de côté de la cathode d'une cuve d'électrolyse à diaphragme sans ses barres de raccordement à la source de courant, sa paroi latérale étant partiellement enlevée sur la figure 1. - La figure 3 montre une vue en coupe de la cathode de la figure 1; - La figure 4 représente, en vue en coupe transversale et à plus grande échelle, une partie de l'avant de la paroi latérale de la cathode ; et - La figure 5 montre une vue en coupe partielle prise selon la ligne V-V de la figure 4. Les figures 1 et 2, ainsi que la vue en coupe de la figure 3, prise selon la ligne III-III de la figure 1, monruent la constitution d'ensemble de la cathode 1 d'une cuve d'électrolyse à diaphragme. Cette cathode présente des parois latérales 2, 3 qui s'étendent selon sa longueur et des parois frontales 4 et 5 qui s'étendent selon sa largeur, ainsi que des brides de support supérieure et inférieure 6 et 7. Les parois latérales appartiennent à des boîtes latérales servant de paroi dont chacune s'étend sur toute la longueur de la cathode. Chacune de ces boîtes latérales se compose d'une paroi latérale 2 ou 3 et d'une plaque à tubes 9 montée à distance d'elle.L'espace 17 laissé libre entre elles est fermé à ses extrémités frontales, ainsi qu'en haut et en bas, par des éléments de paroi qui sont1 par exemple, des brides de support 14 et 15, et qui sont fixés par soudage aux bords de la paroi à tubes 9. Les plaques à tubes 9 présentent des fenêtres 9a qui sont disposées à intervalles réguliers et qui s'étendent sur toute la hauteur des parois latérales, ainsi que des traverses situées entre elles. Dans chacune de ces fenêtres 9a pénètre depuis l'extérieur 16 de la cathode l'extrémité d'un tube de cathode 8 à section ovale allongée, les extrémités de ces tubes étant soudées a la surface intérieure des fenêtres, comme on le voit notamment sur la figure 5.Les tubes de cathode 8 sont disposés parallèlement les uns aux autres a une distance entre eux qui correspond à l'espace entre les plaques à tubes. Les anodes non représentées font saillie dans l'espace ménagé entre ces tubes, et un diaphragme, qui n'est pas non plus représenté, peut être amené sur les tubes de cathode. Dans la forme de réalisation préférée qui est représentée, des bandes en forme de peigne sont disposées à l'intérieur 17 de chacune des parois latérales décrites ci-avant sur toute la longueur de la cathode 1, leur épaisseur étant égale à la distance entre les parois latérales 2, 3 et la plaque a tubes 9 correspondante. Les saillies 23 de ces bandes qui correspondent aux dents du peigne sont soudées rigidement sur les portions des plaques à tubes 9 qui sont comprises entre leurs fenêtres, ainsi que cela est indiqué par le cordon de soudure 40 des figures 4 et 5, cependant que les surfaces frontales de ces bandes restent libres. Les saillies 23 correspondant aux dents du peigne sont plus étroites en proportion que l'espace compris entre les fenêtres des plaques à tubes 9.La répartition de ces saillies en forme de dents et leur distance mutuelle est égale a la distance entre les milieux des espaces entre les fenêtres de la plaque à tubes 9. Leur largeur est avantageusement égale à la moitié environ de la profondeur de la chambre 17, ou un peu supérieure. Le dos 22 de la bande s'étend sur toute la longueur de la cuve. Son épaisseur å l'intérieur de la chambre 17 est au plus égale à la moitié environ de la profondeur de cette chambre 17, mais au moins égale, environ, à l'épaisseur des saillies 23. Dans une forme de réalisation préférée, deux bandes en forme de peigne disposées à distance l'une de l'autre sont adjointes à chaque paroi latérale. Leur distance est choisie de telle manière que le bord supérieur de la bande supérieure et le bord inférieur de la bande inférieure viennent respectivement au niveau des bords supérieur et inférieur des barres latérales 32 de répartition du courant, comme on le voit sur les figures 3 à 5. Ces barres de répartition du courant 32 sont disposées a distance des parois latérales 2 et 3, respectivement, Pour cela, chaque bande en forme de peigne présente, sur son côté opposé à la plaque å tubes 9, une nervure continue 24 plus étroite qui fait saillie vers l'extérieur en traversant les parois latérales 2 et 3. Sur cette surface libre est déposée une couche de cuivre 25 de 5 mm d'épaisseur. par exemple. Sur cette couche de cuivre s'appuie la surface intérieure de la barre 32 de répartition du courant qui est réalisée en cuivre.A des intervalles prédéterminés qui dépendent en particulier des barres 36 de raccordement à la source de courant (voir figure 3), des trous borgnes 27 filetés intérieurement sont usinés dans le dos des bandes 20, 21 en forme de peigne. GrSce à des vis 33, 37, et avec interpusition de rondelles Bellville 34, 38, ils servent a serrer les barres de répartition 32 sur les bandes 20, 21 en forme de peigne. Du fait que le dos 22 de ces bandes 20, 21 présente une partie rétrécie 24, on obtient deux épaulements 26 sur chaque bande. Ceux-ci servent à recevoir et à fixer des éléments de recouvrement 10, 11 et 12 qui sont réalisés sous la forme de couvercles amovibles et dont chacun s'étend sur toute la longueur de la cuve.Chacun d'eux recouvre par exemple, et respectivement, l'intervalle entre la bride transversale supérieure 14 et la bande adjacente 20, entre cette dernière et la bande 21 qui suit vers le bas, et entre cette dernière et la bride transversale 15 qui est située du côté du fond. La fixation de ces éléments de couverture a lieu avec interposition de joints 30, de préférence en un matériau à base de graphite, et à l'aide de vis qui sont vissées dans des trous borgnes filetés 29 et 30 ménagés respectivement dans les brides transversales 14 et 15 et dans les bandes 20 et 21. Chaque barre 36 de raccordement à la source de courant est fixée en même temps que la barre 32 de répartition du courant au moyen d'une vis 37. Les barres de répartition du courant présentent des perçages adéquats 37a.La mise en place des éléments de recouvrement peut aussi bien avoir lieu par soudage étanche, si besoin en est. Comme d' habitude, les deux barres 32 de répartition du courant qui s'étendent des deux côtés de la cellule peuvent être reliées entre elles sur les côtés frontaux 4 et 5 au moyen de barres de retour du courant présentant la forme d'étriers. Les extrémités de l'étrier peuvent alors, de manière classique, recouvrir les barres 32 de répartition du courant et en être rendues solidaires par une pluralité de vis. Toutefois, dans la forme de réalisation préférée qui est représentée, les barres latérales 32 de répartition du courant sont remplacées par les ailes 52a et 53a des étriers de retour du courant respectifs 52 et 53 qui sont disposés frontalement, qui viennent au niveau l'un de l'autre et qui sont allongés en conséquence. Les ailes 52a et 53a qui sont de niveau l'une par rapport a l'autre s'étendent à elles deux sur toute la longueur de la cuve. De préférence, ces ailes ont la mème longueur, de sorte qu'elles arrivent jusqu'a une ligne de rencontre 60 située au milieu de la cuve. Gracie à cette disposition, on évite d'avoir à visser les barres de retour du courant en forme d'étrier sur les barres latérales de répartition du courant. En relation avec les bandes en forme de peigne, on obtient ainsi une remarquable uniformité de la répartition du courant sur les tubes de cathode 8. Sur les figures 1 et 2, on a représenté des organes d'accrochage 15' qui sont prévus sur les extrémités frontales de la cathode et qui servent à l'ancrage ou au transport de la cathode. En outre, on a indiqué des raccordements 50 et 51 pour l'électrolyte. - REVENDICATIONS 1. Cathode pour les cuves d'électrolyse à diaphragme du genre comprenant : une pluralité de tubes de cathode a section ovale allongée parallèles entre eux1entre lesquels on peut introduire une série de plaques anodiques parallèles entre elles ; des plaques à tubes sur les deux côtés longitudinaux de la cuve, lesquelles présentent des fenêtres allongées dans chacune desquelles est soudée l'extrémité d'un tube ; une paroi latérale longitudinale sur chacun de ces côtés longitudinaux, qui est disposée a distance de la plaque à tubes correspondante, parallèlement à elle, et qui coopère avec des parois frontales pour constituer la partie inférieure de la cuve recevant les électrodes et l'électrolyte ; des barres de répartition du courant qui sont montées extérieurement sur les deux parois latérales, qui s'étendent sur la longueur de ces dernières et dont les extrémités sont reliées entr2 elles par des barres de retour du courant adjointes aux parois frontales ; un diaphragme ainsi que des entrées et des sorties pour l'électrolyte et des barres de raccordement pour l'amenée et le retour du courant, chacune de ces barres de raccordement étant vissée sur les barres de répartition et ces dernières étant vissées à leur tour sur les barres conductrices d'arrivée ; cathode caractérisée par le fait que chacune des portions en saillie (23) d'une bande (20, 21) en forme de peigne qui s'étend entre la plaque à tubes (9) et la paroi latérale correspondante (2, 3) est soudée rigidement sur les surfaces extérieures des espaces entre les fenêtres allongées en regard (9a) des deux plaques à tubes a l'autre (5) de la cuve, et la barre (32 > de répartition du courant étant reliée å sa partie extérieure continue 2. Cathode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que deux bandes (20, 21) en forme de peigne, parallèles entre elles, sont montées sur chaque côté 3. Cathode selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que la partie extérieure (22) de la bande en forme de peigne ou de chacune de ces bandes (20, 21) fait saillie vers l'extérieur au-del & de la paroi latérale (2, 3) correspondante, et qu'elle est reliée, en particulier par vissage, à la barre 4. Cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que chaque paroi latérale (2, 3) se compose de plusieurs parties de couvercle (10, 11, 12) qui s'étendent d'une paroi frontale (4) à l'autre (5), dont chacune est reliée, en particulier par vissage, et avec interposition d'un joint d'étanchéité (30), a ladite bande ou auxdites bandes (20, 21) et/ou à des parties de cloison (14, 15) constituant des brides de support supérieure et inférieure. 5. Cathode selon la revendication 4, caractérisée par le fait que ledit joint d'étanchéité (30) est constitué par une bande en graphite. 6. Cathode selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisée par le fait que chacune desdites bandes forme de peigne (20, 21) est en acier et présente un revêtement en cuivre (25) aux points de contact avec la barre (32) de répartition du courant. 7. Cathode selon l'une quelconque des revendications 1 d 6, caractérisée par le fait que les ailes 8. Cathode selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caractérisée par le fait que tous les points de vissage (31, 33, 37) présentent des perçages filetés constitués par des trous borgnes (27, 28, 29 > qui sont ménagés dans l'acier de base utilisé.