Brevet FR2829776A1 — publié le 20030321

La présente invention concerne l'alimentation électrique d'une cuve à électrolyse à diaphragme et concerne en particulier l'alimentation électrique des cathodes des cellules à diaphragme d'électrolyse chloresoude. La production de chlore et d'hydroxyde de sodium se fait par électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de sodium appelée communément saumure. Trois procédés d'électrolyse sont utilisés aujourd'hui, l'électrolyse avec diaphragme, l'électrolyse avec membrane et l'électrolyse à cathode de mercure. La présente invention porte sur les cuves (appelées également cellules) d'électrolyse à diaphragme. Elles sont caractérisées principalement par le fait que les produits formés pendant la réaction chimique d'oxydoréduction ne se mélangent pas grâce à des compartiments qui isolent entres elles les cathodes des anodes. Ainsi l'hydrogène dégagé à la cathode par réduction des ions hydrogène ainsi que l'hydroxyde de sodium produit ne rentre pas en contact avec le chlore produit à l'anode par oxydation des ions chlorure. L'habillage extérieur de la cathode sous forme de grillage forme le diaphragme, appelé communément doigt, et est étanche à l'hydrogène grâce à son revêtement. Les revêtements des cathodes traditionnellement en amiante vont disparaître, compte tenu de l'interdiction de l'utilisation de l'amiante, au profit de revêtements de substitution qui ont une durée de vie bien supérieure à celle de l'amiante. L'apparition de tels matériaux dans les cuves d'électrolyse à diaphragme a amélioré le rendement des électrolyseurs. Aujourd'hui, grâce à cette innovation, les constructeurs s'intéressent davantage à optimiser les circuits électriques d'alimentation des cuves d'électrolyse. La cathode est alimentée en électricité sur toute sa longueur grâce à un raidisseur connecté électriquement par au moins une de ses extrémités à la cuve d'électrolyse. Une cuve d'électrolyse à diaphragme pour la fabrication du chlore comporte en général un certain nombre de cathodes et d'anodes en nombre égal intercalées et parallèles et est traversé par un courant d'une intensité allant de 40000 à 140000 A. Le courant est transmis aux raidisseurs par l'intermédiaire de plaques de cuivre soudées aux parois en acier de la cuve avec lesquelles ils sont en contact. Les parois des cuves sont généralement épaisses pour une meilleure résistance à la corrosion et de ce fait présentent une forte résistance électrique qui diminue proportionnellement la conductivité électrique à travers les parois de la cuve. Pour améliorer le passage du courant à travers les parois de la cuve vers les cathodes, le cuivre à l'extérieur de la cuve qui apporte le courant est soudé par explosion ou colaminé sur l'acier des parois de la cuve. Ce procédé permet d'obtenir de bons résultats au niveau conductivité électrique de contact cuivre/acier tout en réduisant les contraintes mécaniques à l'origine de fissures présentes dans les procédés de soudage du cuivre sur acier traditionnels. Cependant, le procédé de soudage par explosion est extrêmement coûteux et son délai de fabrication est élevé de l'ordre de plusieurs mois. C'est pourquoi le but de l'invention est d'améliorer le dispositif d'alimentation électrique des cathodes d'une cellule diaphragme chlore-soude par une plaque de cuivre en optimisant la résistance de passage et la section de passage du courant entre la plaque de cuivre et la cuve d'électrolyse. L'objet de l'invention concerne donc un dispositif d'alimentation électrique de cathodes d'une cellule à diaphragme d'électrolyse chlore-soude constituée d'une cuve à électrolyse et d'une pluralité de cathodes et d'anodes en nombre égal, alternées et parallèles entre elles, le dispositif comprenant un élément de connexion électrique composé d'au moins une plaque de cuivre fixée par des moyens de connexion électrique côté extérieur d'une des parois latérales de la cuve d'électrolyse et connectée électriquement du côté intérieur aux cathodes grâce à des J raidisseurs. Selon la caractéristique principale de l'invention, les moyens de connexion électrique entre la plaque de cuivre et la paroi latérale de la cuve sont assurés par un ensemble de soudures bouchon réalisées à travers un ensemble d'ouvertures pratiquées préalablement dans la plaque de cuivre et dont les extrémités en contact électrique avec la paroi latérale sont disposées de manière à ce que les chemins à parcourir par le courant entre chaque soudure bouchon et l'extrémité du raidisseur le plus proche soient tous identiques. Les buts, objets et caractéristiques de l'invention appara. i apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : la figure 1 représente une paroi latérale de la cuve à électrolyse où la plaque de cuivre est soudée, et montrant les extrémités des cathodes soudées à la plaque de cuivre, la figure 2 est une coupe transversale de la cuve représentée sur la figure 1, selon l'axe A-A, la figure 3 représente une coupe transversale de la paroi latérale de la cuve sur laquelle est soudée la plaque de cuivre, la figure 4 est une vue en perspective de la cuve à électrolyse avec son élément de connexion électri5 eiectroiyse avec son élément ae connexion électrique. En référence à la figure l, la cuve 10 en acier Vue de côté, contient n cathodes identiques 12-1 à 12-n liées mécaniquement et électriquement chacune à un raidisseur 14-1 à 14-n. Les anodes, non représentées sur la figure sont généralement intercalées entre les cathodes. Les raidisseurs 14-1 à 14-n sont connectés électriquement à la paroi latérale 11 côté intérieur de la cuve 10. Un élément 16 généralement en cuivre, extérieur à la cuve, assure la connexion électrique entre la source et la paroi latérale 11 coté extérieur. L'élément 16 est formé d'au moins une plaque de cuivre parallèle à la paroi latérale 11 de la cuve, mais peut tout aussi bien être formé de plusieurs parties de cuivre perpendiculaires entre elles et fixées aux parois latérales de la cuve, une des plaques servant de connexion électrique aux cathodes. Des ouvertures sont pratiquées dans cette plaque de cuivre avant son montage sur la cuve sur la paroi latérale 11. Des soudures identiques 18-1 à 18-m, appelées soudures bouchon, en un matériau bon conducteur donc de faible résistivité tel qu'un alliage cuivrealuminium ou du cuivre, sont pratiquées à travers les ouvertures effectuées préalablement. Le courant arrivant dans la plaque de cuivre, traverse les soudures bouchons 18- 1 à 18-m et vient alimenter les cathodes par l'intermédiaire des raidisseurs 14-1 à 14-n. La section des soudures bouchon 18-1 à 18-m et donc des ouvertures est fonction du courant à faire passer de la plaque de cuivre à la cathode à alimenter. Ainsi, le courant, en provenance du générateur ou d'une autre cuve, arrive dans la plaque de cuivre à sa valeur nominale de l'ordre de 100000 A pour alimenter toutes les cathodes avec un courant de même intensité. Une partie du courant passe dans la première cathode tandis que le reste du courant continue dans la plaque de cuivre. Toutes les cathodes 14-1 à 14-n sont alimentées ainsi par la plaque de cuivre et le courant passant à travers la plaque de cuivre diminue en intensité entre la première cathode à alimenter où il arrive à sa valeur nominale et la dernière cathode à alimenter. En référence à la figure 2, la plaque de cuivre servant de connexion électrique aux cathodes est formée d'une superposition de plaques de cuivre mince 20 à 23 de largeur et d'épaisseur identiques et de longueur différente et dont le nombre varie en fonction du nombre de cathodes à alimenter, la plus grande plaque de cuivre mince 20 étant plaquée contre la paroi latérale 11 de la cuve côté extérieur. Le courant, en provenance du générateur ou d'une autre cuve, arrive du côté où la plaque en cuivre est formée par la superposition de toutes les plaques de cuivre mince 20 à 23 donc à travers la plus grande section de cuivre. Ensuite, l'épaisseur de la plaque de cuivre diminue petit à petit entre la première cathode 12-1 et la dernière 12-n. Le nombre de plaques de cuivre minces superposées et leur dimension sont adaptés au nombre de cathodes à alimenter et à la valeur du courant entrant. Les plaques de cuivre minces sont reliées électriquement et mécaniquement entre elles grâce aux soudures bouchon et à une soudure périmétrique, c'est à dire réalisée en limite extérieure de leur contour. Ainsi, la plaque de cuivre mince 20 de plus grande dimension est soudée sur son contour à la paroi latérale 11 côté extérieur de la cuve 10. Ensuite, la plaque de cuivre mince 21 plus courte que la plaque 20 est soudée sur son contour à la plaque de cuivre 21, et ainsi de suite pour toutes les plaques de cuivre de la plus grande à la plus petite. A noter que les plaques de cuivre pourraient être remplacées par une seule plaque de cuivre dont l'épaisseur diminue à intervalles réguliers d'une extrémité à l'autre de la paroi latérale. De façon générale, les soudures bouchon sont idéalement situées en face de chaque cathode car dans ce cas, la longueur du chemin à parcourir par le courant est réduit à son minimum. Dans ce cas, il y a autant de soudures bouchons qu'il y a de cathodes, mais la réalisation industrielle est très onéreuse. Un mode de réalisation préférentiel plus économique est représenté par la vue en coupe de la figure 3, où le nombre de cathodes est un nombre pair. Deux soudures bouchon 18-1 et 18-2 situées côte à côte traversent trois plaques de cuivre minces superposées 20,21 et 22 sur la paroi latérale 11 de la cuve du côté extérieur. A l'intérieur de la cuve, donc du côté intérieur à la paroi latérale 11, les extrémités des raidisseurs 14-1 à 14-4 alimentant chacun une cathode sont en contact électrique avec la paroi 11. L'emplacement de la soudure bouchon 18-1 se situe à mi-chemin entre les raidisseurs 14-1 et 14-2, l'emplacement de la soudure bouchon 18-2 se situe à michemin entre les raidisseurs 14-3 et 14-4 et ainsi de suite pour l'emplacement de toutes les autres soudures bouchon, afin que les chemins à parcourir par le courant entre l'extrémité des soudures bouchon en contact avec la paroi latérale 11 côté extérieur et l'extrémité des raidisseurs en contact avec la paroi latérale 11 côté intérieur soient tous identiques. Ainsi, la résistance électrique entre les soudures bouchon et les cathodes est toujours la même. Donc, dans ce mode de réalisation préféré de l'invention, il y a moitié moins de soudures bouchon entre la plaque de cuivre située sur la paroi latérale 11 de la cuve qu'il y a de cathodes à alimenter dans la cuve. Le courant passe des plaques de cuivre minces dans la soudure bouchon, puis dans la paroi de la cuve pour ensuite alimenter les raidisseurs qui alimentent eux-mêmes les cathodes. Les passages du courant dans le sens cuivre/soudure puis soudure/cuve offrent peu de résistance. La figure 4 est une vue simplifiée en perspective de la cuve. On peut voir que les cathodes 12 relient perpendiculairement les deux parois 11 et 41 de la cuve reliées sur leurs côtés extérieurs à l'élément de connexion électrique 16. Comme la description qui précède décrit les moyens de liaison électrique de la plaque de cuivre et des cathodes à travers la paroi de la cuve 11, elle est valable pour la liaison du côté opposé des cathodes à la paroi 41 de la cuve. Le dispositif selon l'invention présente l'avantage de fournir le courant nécessaire aux cathodes avec une chute de tension entre la source de courant et les cathodes inférieure ou égale à celle obtenue par les cuves alimentées par des plaques de cuivre soudées sur la cuve grâce à une soudure à explosion. A noter que le procédé de soudage par explosion de la plaque de cuivre ne permet pas de faire varier l'épaisseur de la plaque de cuivre alors que la section nécessaire pour alimenter les cathodes décroît. En outre, la plaque de cuivre alimentant les cathodes selon le dispositif de l'invention constituée d'une superposition de plaques de cuivre minces de dimension différente présente l'avantage de réduire la masse de cuivre de la plaque distributrice du courant dans les cathodes par rapport aux plaques de cuivre traditionnelles utilisées dans l'alimentation des cuves à électrolyse d'aujourd'hui. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation électrique de cathodes (12-1) à (12-n) d'une cellule à diaphragme d'électrolyse chlore-soude constituée d'une cuve à électrolyse (10) et d'une pluralité de cathodes et d'anodes en nombre égal, alternées et parallèles entre elles, ledit dispositif comprenant un élément de connexion électrique (16) composé d'au moins une plaque de cuivre fixée par des moyens de connexion électrique côté extérieur d'une des parois latérales (11) de la cuve d'électrolyse (10) et connectée électriquement du côté intérieur aux cathodes (12-1 à 12-n) grâce à des raidisseurs (14-1 à 14-n), caractérisé en ce que les moyens de connexion électrique entre ladite plaque de cuivre et ladite paroi latérale de la cuve (11) sont assurés par un ensemble de soudures bouchon (18-1 à 18-m) réalisées à travers un ensemble d'ouvertures pratiquées préalablement dans ladite plaque de cuivre et dont les extrémités en contact électrique avec ladite paroi latérale sont disposées de manière à ce que les chemins à parcourir par le courant entre chaque soudure bouchon et l'extrémité du raidisseur le plus proche soient tous identiques. 2. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1, dans lequel le nombre de soudures bouchon (18-1 à 18-m) est égal au nombre de cathodes (12-1 à 12-n), l'extrémité de chacune desdites soudures bouchon étant située en face de l'extrémité du raidisseur associé à la cathode correspondante. 3. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1, dans lequel il y a un nombre pair de cathodes (12-1 à 12-n) et moitié moins de soudures bouchon (18-1 à 18-m), l'extrémité de chacune desdites soudures bouchon étant située à mi-chemin des extrémités des raidisseurs (14-1 à 14-n) associés respectivement aux deux cathodes de chaque paire distincte de cathodes. 4. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1,2 ou 3, dans lequel ladite plaque de cuivre est composée d'une pluralité de plaques de cuivre minces (20 à 23) superposées de même épaisseur, de même largeur et de longueur différente, la plus grande plaque de cuivre mince (20) étant fixée à ladite paroi latérale de la cuve et lesdites plaques de cuivre minces étant disposées de manière à ce que la section de ladite plaque de cuivre diminue entre la première cathode (12-1) à alimenter et la dernière cathode (12-n), de façon à alimenter toutes les cathodes (12-1) à (12-n) avec approximativement la même intensité de courant. 5. Dispositif d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle les soudures bouchon (18-1 18-m) sont réalisées dans un matériau conducteur et donc de faible résistivité. 6. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 5, dans laquelle les soudures bouchon (18-1 18-m) sont réalisées en cuivre. 7. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 5, dans laquelle les soudures bouchon (18-1 à 18-m) sont réalisées en alliage cuivre aluminium. 8. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 4, dans laquelle ladite plus grande plaque de cuivre mince (20) est fixée à ladite paroi latérale de la cuve par une soudure périmétrique. 9. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 8, dans laquelle les plaques de cuivre minces (20 à 23) sont fixées entre elles par une soudure périmétrique.