Brevet FR2763963A1 — publié le 19981204

Procédé et dispositif d'étanchéification dans une cellule d'électrolyse. La présente invention concerne un procédé pour étanchéifier une tôle de revêtement dans une cellule d'électrolyse. L'invention concerne aussi un dispositif d'étanchéification dans une cellule d'électrolyse, o une tôle de revêtement est couplée à une conduite ascendante par une tôle supplémentaire. Dans une cellule électrochimique moderne, fonctionnant avec un diaphragme, le courant est envoyé aux anodes par des conduites ascendantes auxquelles les anodes sont associées dans la cellule (voir figure 1). Les conduites ascendantes sont ancrées dans la base de la cellule, laquelle est habituellement faite d'une épaisse plaque de cuivre. Le courant d'électrode est distribué par l'intermédiaire de l'épaisse tôle de cuivre qui forme la base de la cellule. La conduite ascendante de l'anode est vissée à la base par des écrous jusqu'à obtention d'un couple donné, qui peut être de l'ordre de 60 à 70 Nm et qui est ajusté pour que la pression de contact entre une patte en saillie se trouvant sur la conduite ascendante et la base donne un contact permanent de bonne qualité. La base en cuivre est habituellement protégée de la corrosion à l'intérieur de la cellule par un revêtement en caoutchouc souple. Cette construction est sûre et peu coûteuse et elle a été considérée comme une norme mondiale pendant de nombreuses années. Le nombre de cellules actuellement en service qui présentent ce type de construction dépasse les 10 000, et le nombre correspondant d'anodes dans ces cellules est supérieur au million. Comme les revêtements en caoutchouc ont une durée de vie limitée, d'environ une année en moyenne, ils ont ces dernières années été de plus en plus souvent remplacés par une tôle de revêtement, faite en titane (voir figure 2). L'étanchéité entre la tôle de titane et la conduite ascendante est dans ce cas réalisée à l'aide d'une garniture d'étanchéité spéciale. On a également essayé de fixer directement la tôle de revêtement à la conduite ascendante, par soudage. La cellule électrochimique décrite ci-dessus est généralement utilisée pour la production de chlore. Dans cette production électro- chimique, on utilise un diaphragme placé entre une anode et une cathode pour séparer un compartiment d'anode et un compartiment de cathode. Cette séparation peut aussi se faire à l'aide de membranes semi- perméables et/ou à perméation ionique sélective, installées dans l'électrolyte. Des diaphragmes en amiante ont été utilisés mais ils sont maintenant remplacés par des diaphragmes sans amiante. Les diaphrag- mes sans amiante d'aujourd'hui reviennent beaucoup plus cher que les précédents mais ont une durée de vie supérieure à 5 ans, soit 4 à 5 fois plus grande que celle des diaphragmes sans amiante du début. Les attentes des utilisateurs de cellules à diaphragme qui se servent de diaphragmes sans amiante sont croissantes dans le monde entier. Les essais couronnés de succès qui ont été faits avec ce type de diaphrag- mes font qu'ils sont aujourd'hui considérés comme la meilleure techno- logie disponible. Mais une limite importante qui demeure dans cette nouvelle technologie est la durée de vie de l'étanchéité entre la conduite d'anode et la base de la cellule. Une configuration à contact dans une construction o la base de la cellule est protégée par un revêtement en caoutchouc (figure 1) signifie que la cellule doit être ouverte de 1 à 1,5 fois par an pour le remplacement du joint d'étanchéité, ce qui correspond bien à la durée de vie des diaphragmes en amiante mais pas à celle des diaphragmes sans amiante qui peut atteindre environ 5 ans. Ouvrir une cellule sans endommager le diaphragme est une opération difficile. La durée de vie du diaphragme et celle du joint d'étanchéité doivent donc être synchro- nisées. Même si certaines améliorations ont été réalisées, en rempla- çant par exemple le revêtement en caoutchouc par une tôle de revête- ment (voir figure 2) et un joint (qui peut par exemple être fait de poly- mère), il reste le problème que le joint d'étanchéité toujours présent limite la durée de vie du nouveau mais coûteux diaphragme sans amiante puisqu'une fuite au niveau d'un seul joint (sur les 80 à 100 joints d'étanchéité habituels) suffit à provoquer la fermeture de la cellule et sa mise hors service. Un autre facteur de complication est que les anodes, du fait des dimensions des cellules électrochimiques, doivent être montées dans les cellules sur le lieu de fonctionnement. Le document EP-A1-0 014 595 concerne une cellule électro- chimique de production de chlore-alcali. Cette cellule comprend une conduite ascendante fixée à la base de la cellule et une tôle de revête- ment soudée directement à une collerette de la conduite. Outre la tendance à l'apparition de fissures sous l'effet de la force de dilatation (environ 2 mm de différence de dilatation longitudinale entre le titane et le cuivre dans la base de la cellule), l'invention du document EP- A1-0 014 595 a aussi pour inconvénient qu'il est à la fois difficile et coûteux d'effectuer les soudures in situ, c'est-à-dire sur le site de montage. Le document EP-A1-0 014 595 n'a trouvé qu'une application industrielle très limitée. Avec le procédé et le dispositif de la présente invention, les problèmes évoqués ci-dessus ont été résolus par une étanchéification de la tôle de revêtement d'une cellule d'électrolyse. Selon l'invention, il est proposé un procédé d'étanchéification de la tôle de revêtement d'une cellule d'électrolyse, cellule qui comporte une base dans laquelle sont fixées des conduites ascendantes destinées aux anodes de la cellule, cette base comprenant au moins un matériau de base qui a une forte conductivité électrique, de préférence du cuivre, et au moins une tôle de revêtement qui est disposée sur le matériau de base en direction de l'intérieur de la cellule, la conduite ascendante comportant une colle- rette d'étanchéité à laquelle est raccordée la tôle de revêtement, une tôle supplémentaire étant fixée entre la conduite et la tôle de revête- ment pour servir de soufflet, ce soufflet étant respectivement fixé par soudure à la collerette de la conduite et à la tôle de revêtement. L'invention concerne également un dispositif destiné à étanchéifier une tôle de revêtement d'une cellule d'électrolyse, cette cellule comprenant une base, des conduites ascendantes pour les anodes de la cellule qui sont ancrées dans la base de la cellule et qui comportent une collerette d'étanchéité, une tôle de revêtement qui est disposée sur la base en direction de l'intérieur de la cellule et qui est raccordée à la collerette d'étanchéité par un soufflet ancré par un joint soudé respectivement dans la collerette et dans la tôle. La présente invention résout les problèmes de fissuration et a pour avantage d'agir comme une transition souple et élastique entre la conduite d'anode et l'ensemble base/tôle de revêtement de la cellule. L'invention procure une étanchéité fiable dont la durée de vie excède celle de la cellule elle-même. D'autres avantages sont que la cellule peut être soudée relativement facilement, et surtout en toute sécurité, dans des conditions de service actif sur le lieu d'utilisation. Avec la construction de la présente invention, il est maintenant facile de remplacer des anodes individuelles. La présente invention s'applique aussi bien à des installations neuves qu'à des installations existantes qui comportent des tôles de revêtement. La tôle de revêtement est de préférence faite de titane, qui peut par exemple être allié à du ruthénium et/ou du palladium. Elle a de préférence une épaisseur comprise entre environ 0,7 mm et environ 1,5 mm. Elle peut aussi être recouverte d'une couche protectrice appropriée, de préférence à base de platine métallique ou de ses oxydes. Un avantage important du présent procédé est que la tôle de revêtement peut être dotée de trous en tous les endroits o doivent être placées des anodes. Dans ce mode de réalisation, un soufflet ou une partie d'un soufflet est aussi de préférence fixé par soudure à la tôle de revêtement. De cette manière, l'opération de montage est grande- ment simplifiée et peut être effectuée directement sur le site d'installa- tion. Dans le procédé de l'invention, une tôle supplémentaire est de préférence formée par compression à partir d'un matériau élastique mince pour servir de soufflet. L'épaisseur de la tôle métallique du soufflet est comprise de manière appropriée entre environ 0,2 et envi- ron 1,0 mm, et de préférence entre environ 0,4 et environ 0,7 mm. Le soufflet est en titane, de préférence allié à un ou plusieurs éléments comme le palladium, le ruthénium et/ou le molybdène, ce qui évite la corrosion des joints soudés. Du fait qu'on utilise de préférence un soufflet en matériau mince et de forme appropriée, les forces latérales dues à la dilatation thermique peuvent être absorbées sans que les contraintes exercées sur les joints soudés ne dépassent des valeurs acceptables. Le soufflet peut être configuré de diverses manières. Le soufflet comprend au moins une partie en saillie, faite de manière appropriée par compression d'une tôle métallique plate formant le matériau de départ. Cette mise en forme ou gaufrage peut se faire par emboutissage profond, par moulage à chaud, par moulage sous vide, etc. Le soufflet comprend de préférence une pluralité de plis qui forment un certain nombre de parties saillantes obtenues par plusieurs opérations de compression d'une tôle métallique. Le soufflet replié peut donc avoir la forme de la lettre S ou de la lettre Z ou, grâce à plusieurs plis, former une pluralité de S ou de Z qui se suivent. Une partie au moins des régions saillantes du soufflet doit être relative- ment haute pour pouvoir absorber la dilatation thermique. La hauteur du soufflet peut, de manière appropriée, être d'environ 10 mm ou plus. La limite supérieure n'est pas importante mais peut être établie à mm pour des raisons pratiques. La hauteur du soufflet est de préfé- rence comparable à sa hauteur et peut être comprise entre environ mm et environ 25 mm. La largeur du soufflet est de préférence comprise entre environ 10 mm et environ 30 mm. La distance est ajustée de manière appropriée pour garantir une soudure fiable et de bonne qualité. La tôle de revêtement a de préférence une épaisseur supérieure à l'épaisseur de la tôle métallique du soufflet. Selon un premier mode de réalisation, le soufflet peut aussi comporter une partie repliée de manière concentrique qui est plus basse, encore appelée fronce, sur un côté optionnel du soufflet. Ces fronces permettent d'absorber les contraintes, dites contraintes direc- tionnelles, qui apparaissent quand on fixe et oriente l'électrode. Les fronces peuvent être formées par un certain nombre de plis du soufflet. Selon un mode préféré de réalisation, le soufflet est divisé. On peut pour cela utiliser un soufflet qui est dès le départ formé de deux composants séparés, ou bien un soufflet entier peut être divisé en deux parties ou plus. Le soufflet est de préférence divisé dans la région comportant les plis les plus hauts ou les plus profonds, de préférence au voisinage du point le plus haut du soufflet. Quand on utilise un soufflet divisé, la partie du soufflet qui doit être placée le plus près de la tôle de revêtement peut être d'abord soudée à la tôle de revêtement. La partie du soufflet qui doit être associée à la conduite d'anode peut être soudée à la conduite d'anode avant d'être soudée avec l'autre partie correspondante du soufflet, qui est fixée à la tôle de revêtement. Les composants respectifs du soufflet qui sont associés à la conduite d'anode et à la tôle de revêtement peuvent être soudés en usine. Le montage final et le soudage du soufflet et des parties respec- tives se fait de préférence sur place. Cependant, l'ordre dans lequel les soudures sont effectuées n'est pas important, pas plus que l'endroit o elles sont effectuées, si l'une des soudures du soufflet se fait sur le site d'utilisation. Grâce à ce procédé, on évite de devoir souder les anodes de toute la cellule à la tôle de revêtement lors de la livraison, ce qui est très incommode pour une installation industrielle. Pour le soudage, on utilise un procédé de soudage fiable comme le soudage à l'arc en atmosphère inerte et avec électrode de tungstène (soudage TIG), le soudage à la flamme plasma, le soudage au laser ou le soudage électrique par résistance. La cellule électrochimique décrite ci-dessus peut être utilisée pour la production de chlore-alcali. Dans cette production électro- chimique, on utilise un diaphragme placé entre une anode et une cathode afin de séparer un compartiment d'anode et un compartiment de cathode. Cette séparation peut aussi se faire à l'aide de membranes semiperméables et/ou à perméation ionique sélective, installées dans l'électrolyte. Grâce à la configuration avec soufflet de la présente inven- tion, il est très facile de détacher les anodes en utilisant un laser ou un appareil de découpage à jet d'eau, ou bien en introduisant un outil h grignoter, une scie à guichet ou une lame à microplasma ou autre dans la surface du soufflet. On découpe alors le soufflet et on peut retirer l'anode. La nouvelle surface de soudage de la conduite est de préférence préparée de nouveau pour le soudage, par ébavurage sur un tour, et le reste du vieux soufflet est remplacé par un nouveau qui est soudé sur l'anode avant que l'on ne soude de nouveau l'anode à la tôle de revête- ment. La surface de soudage de la tôle de revêtement o était fixé le soufflet peut être préparée pour la nouvelle soudure à l'aide d'un poinçon creux. L'invention va maintenant être décrite à l'aide des dessins d'accompagnement qui ne sont considérés que comme des exemples de modes de réalisation et ne doivent en aucun cas limiter la portée de la présente invention. Les figures 1 et 2 concernent des constructions de l'art anté- rieur. La figure 3 montre l'invention et un mode de réalisation de cette dernière. La figure 4 concerne différents modes de réalisation du soufflet de l'invention. Les figures 5 et 6 représentent d'autres modes de réalisation de l'invention. La figure 1 montre une cellule électrochimique comprenant une conduite d'anode 1 fixée par un écrou 4 dans la base 2 de la cellule, une collerette 6 et une patte d'attache 3 sur la conduite et un revête- ment 5 en caoutchouc souple placé sur la base de la cellule. La figure 2 montre une cellule électrochimique comprenant une conduite d'anode 1 fixée par un écrou 4 dans la base 2 de la cellule, une collerette 6 et une patte d'attache 3 sur la conduite et une tôle de revêtement 8 disposée sur la base de la cellule. L'étanchéité entre la tôle de titane et la conduite est établie dans ce cas par un joint d'étanchéité spécial 7. La figure 3 concerne une construction de cellule électro- chimique selon la présente invention. La cellule électrochimique comprend une conduite d'anode 1 fixée par un écrou 4 dans la base 2 de la cellule, une collerette 6 et une patte d'attache 3 sur la conduite et une tôle de revêtement 8 avec une isolation 16 montée sur la base 2 de la cellule. D'après l'invention, un soufflet 9 en forme de tôle métalli- que intermédiaire plissée est soudé en 10, 1 1 sur la collerette 6 de la conduite 1 et sur la tôle de revêtement 8. Selon un mode de réalisa- tion préféré, le soufflet 9 peut, comme représenté sur la figure, être divisé en deux parties 14, 15 ou plus. La soudure 12 des extrémités libres respectives 14, 15 du soufflet n'est alors effectuée qu'au stade final de montage, sur le site. Selon un mode de réalisation non repré- senté, l'isolation 16 peut être relativement épaisse et l'isolation sur le dessus de laquelle est placée la tôle de revêtement 8 peut s'étendre jusqu'au point le plus haut du soufflet, au niveau du joint soudé 12. Dans ce mode de réalisation, le soufflet est soudé au niveau du point le plus haut 12 à la tôle de revêtement. L'épaisseur de l'isolation peut donc être comprise entre 10 et 30 mm. Le soufflet peut aussi comporter des fronces 17. La figure 4 montre plusieurs configurations de soufflet 9 correspondant à différents types de contraintes, à savoir une forme en S (a), une forme en Z (b), une succession de plusieurs S (c), une succession de plusieurs Z (d) ou une autre forme avec des plis divers (e). La figure 5 monte un appareil de soudage pour une cellule électrochimique d'un mode de réalisation de l'invention. Les anodes doivent être disposées pour être dans un plan parallèle au petit côté de la base de la cellule et perpendiculaire à la base de la cellule. Pour cela, on fixe le bout des anodes et la collerette 6 dans un appareil o les anodes peuvent être disposées la tête en bas. Au-dessus des anodes ainsi disposées, on place tous les soufflets, ou bien une tôle de revête- ment avec des soufflets, et on les fixe à l'aide d'un appareil de soudage 18 qui, par un filetage, bloque le soufflet contre la collerette 6 puis procède au soudage 10. Le soudage peut aussi être effectué à l'aide d'un appareil semi-automatique qui est fixé à l'appareil 18. Suivant le même principe, le soufflet est alors bloqué en 13, l'appareil 18 étant remplacé par un appareil plus gros qui bloque le soufflet selon le même principe. Donc, l'appareil de soudage fonctionne de manière à utiliser le filetage du barreau de cuivre de l'anode, la conduite I comme point de fixation, et permet de presser le mince soufflet contre la collerette 6 et de produire une soudure 10. L'appareil de soudage peut aussi contenir des tuyaux de gaz pour amener un gaz protecteur au voisinage de la soudure 10 tout en constituant en même temps un point de fixation d'un appareil rotatif qui est utilisé pour donner un joint soudé 10 symétrique, en laissant tourner l'appareil autour de l'axe longitudinal de l'anode. La figure 6 présente un autre mode de réalisation du soufflet en deux parties, une moitié intérieure 21 qui est soudée en 23 à la collerette 24 et une moitié extérieure 22 qui est soudée en 25 à la tôle de revêtement 26, les extrémités libres des moitiés de soufflet étant soudées l'une à l'autre en 27. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des varian- tes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'étanchéification d'une tôle de revêtement pour une cellule d'électrolyse, la cellule comprenant une base (2) dans laquelle sont fixées des conduites ascendantes (1) destinées aux anodes de la cellule, la base comprenant au moins un matériau de base à forte conductivité électrique, de préférence du cuivre, et au moins une tôle de revêtement (8) qui est disposée sur la matériau de base en direction de l'intérieur de la cellule, la conduite comportant une colle- rette d'étanchéité (6) à laquelle est raccordée la tôle de revêtement, caractérisé en ce qu'une tôle supplémentaire est fixée entre la conduite et la tôle de revêtement pour servir de soufflet (9; 20), ledit soufflet étant respectivement fixé par un joint soudé (10, 11) à la collerette d'étanchéité (6) de la conduite et à la tôle de revêtement (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule est utilisée pour la production de chlore-alcali. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la cellule contient au moins une anode et une cathode, et en ce qu'entre l'anode et la cathode est disposé un diaphragme qui sépare un compartiment d'anode et un compartiment de cathode. 4. Procédé selon l'une quelconque des précédentes revendica- tions, caractérisé en ce que le soufflet (9) est divisé et est fixé par une soudure (10) lors du montage de la tôle de revêtement (8) pour la conduite d'anode (1). 5. Procédé selon l'une quelconque des précédentes revendica- tions, caractérisé en ce que le soufflet (9; 20) comprend une moitié intérieure (15; 21) et une moitié extérieure (14; 22), la moitié intérieure (21) étant soudée (23) à la collerette (24) et la moitié extérieure (14; 22) étant soudée (25) à la tôle de revêtement (26), à la suite de quoi les moitiés du soufflet sont soudées ensemble (27). 6. Procédé selon l'une quelconque des précédentes revendica- tions, caractérisé en ce que le soufflet (9) est formé par emboutissage profond, moulage à chaud ou moulage sous vide. 7. Procédé selon l'une quelconque des précédentes revendica- tions, caractérisé en ce que la tôle de revêtement a une plus grande épaisseur que l'épaisseur de la tôle métallique du soufflet. 8. Dispositif d'étanchéification d'une tôle de revêtement pour une cellule d'électrolyse, la cellule comprenant une base (2) dans laquelle sont fixées des conduites ascendantes (1) destinées aux anodes de la cellule, et au moins une tôle de revêtement (8) qui est disposée sur la base en direction de l'intérieur de la cellule, la conduite comportant une collerette d'étanchéité (6), caractérisé en ce que la tôle de revêtement est couplée à la collerette d'étanchéité par un soufflet (9) qui est respectivement ancré dans la collerette d'étanchéité et dans la tôle de revêtement. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le soufflet (9; 20) est divisé. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le soufflet (9;20) comprend une moitié intérieure (15; 21) et une moitié extérieure (14; 22).