Brevet FR2830262A1 — publié le 20030404

La présente invention concerne l'alimentation électrique d'une cuve à électrolyse à diaphragme et concerne en particulier l'alimentation électrique des cathodes des cuves à électrolyse chlore-soude. 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 tendent à 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. Le passage du courant est également "freiner"au changement de matériau cuivre/acier. De plus, la cuve étant généralement en acier, le cuivre et l'acier n'ayant pas les mêmes coefficients de dilatation, il existe des contraintes mécaniques entre ces matériaux parfois à l'origine de fissurations néfastes pour le bon fonctionnement 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. De tous ces procédés d'alimentation électrique des cathodes par une plaque de cuivre extérieure à la cuve, le principal inconvénient réside dans le fait que le chemin parcouru par l'électricité entre la plaque de cuivre et la cathode comporte des résistances électriques de contact cuivre/cuve puis cuve/cathode qui ont pour conséquence de faire chuter la tension dans le circuit et donc d'être à l'origine de pertes d'énergie entre le générateur de courant et les cathodes à alimenter. C'est pourquoi le but de l'invention est de fournir un dispositif d'alimentation électrique des cathodes d'une cuve à électrolyse à diaphragme chlore-soude qui supprime les résistances de contact électrique entre la plaque de cuivre utilisée pour le transport du courant aux cathodes de la cuve à électrolyse. L'objet de l'invention concerne donc un dispositif d'alimentation électrique de cathodes d'une cuve 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 reliée électriquement aux cathodes par l'intermédiaire de moyens de connexion électrique. Selon la caractéristique principale de l'invention la plaque de cuivre est directement en contact avec l'électrolyte de la cuve à électrolyse, les cathodes étant connectées directement à la plaque de cuivre par l'intermédiaire des moyens de connexion électrique. Les buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective de la cuve à électrolyse avec son élément de connexion électrique, la figure 2 est une vue de côté de la cuve à électrolyse montrant les extrémités des cathodes soudées à la plaque de cuivre, la figure 3 est une coupe transversale de la cuve représentée sur la figure 1, selon l'axe A-A. En référence à la figure 1, la cuve 10 en acier vue de côté, contient n cathodes identiques 12 reliées chacune un raidisseur qui transmet le courant à la cathode. Les anodes, non représentées sur la figure sont généralement intercalées entre les cathodes. Un élément 6 généralement en cuivre, qui assure la connexion électrique entre la source de courant et les cathodes à alimenter comprend une plaque 7 extérieure à la cuve et au moins une plaque de cuivre 16 traversant la paroi 9 de la cuve par l'ouverture 17 de façon à être parallèle à la paroi latérale 11 de la cuve, coté intérieur à la cuve. L'élément 6 peut comprendre également une autre plaque en cuivre 26 en plus de la plaque 16, et située parallèlement à la paroi latérale de la cuve opposée la paroi 11 côté intérieur de la cuve. Selon un autre mode de réalisation, l'élément 6 peut être seulement constitué de la plaque 16 alimentée électriquement directement de l'extérieur. Les plaques 16 et 26 traversent la paroi latérale 9 de la cuve, de façon étanche, par les ouvertures respectives 17 et 27 prévues à cet effet. L'étanchéité de l'ouverture 17 et de l'ouverture 27 pour le passage des plaques de cuivre 16 et 26 à travers la paroi 9 de la cuve est assurée par des moyens classiques tels que des joints d'étanchéité. Selon la figure 2, la cuve à électrolyse est représentée de côté face à sa paroi latérale 11. Les cathodes 12-1 à 12-n sont chacune liées électriquement et mécaniquement à un raidisseur 14-1 à 14-n. Chaque raidisseur 14, à l'intérieur d'une cathode 12 est connecté électriquement par une de ses extrémités à la plaque de cuivre 16 située à l'intérieur de la cuve 10 parallèle à la paroi latérale 11. Ainsi, l'élément 16 assure la connexion électrique entre la source de courant et toutes les cathodes. Selon un des modes de réalisation de l'invention, les moyens de connexion électrique entre les raidisseurs 14- 1 à 14-n et la plaque de cuivre 16 sont des soudures. De même, la plaque 26 est située à l'intérieur de la cuve parallèle à la paroi de la cuve opposée à la paroi latérale 11 et est connectée électriquement à l'autre extrémité des raidisseurs 14-1 à 14-n. La figure 3 est une vue partielle d'une coupe de la figure 2 selon l'axe A-A. La plaque 16, située parallèlement à la paroi latérale 11 de la cuve traverse de façon étanche la paroi latérale 9 de la cuve par l'ouverture 17. La plaque 16 est située à proximité de la paroi 11 de la cuve. A noter que la plaque 16 pourrait être en contact avec la paroi 11 de la cuve sans pour autant affecter les performances du dispositif selon l'invention. En effet, la plaque 16 baigne dans l'électrolyte qui est au même potentiel que les parois de la cuve, donc le contact entre la plaque 16 et la paroi 11 de la cuve ne provoquerait pas de chutes de tension. Toutes les cathodes 12-1 à 12-n sont connectées électriquement, par l'intermédiaire des raidisseurs, à la plaque de cuivre 16 qui assure ainsi le transport du courant de la source extérieure à la cuve aux cathodes. Par rapport aux dispositifs traditionnels d'alimentation électrique des cathodes des cuves à électrolyse, dans lesquels l'élément de connexion électrique entre la source de courant et les cathodes est toujours situé à l'extérieur de la cuve, le dispositif selon l'invention supprime les chutes de tension dues au passage du courant à travers les parois de la cuve par les surfaces de contact des différents matériaux tels que l'acier des parois de la cuve et le cuivre de la plaque. En outre, le dispositif selon l'invention supprime les problèmes liés à la soudure de la plaque de cuivre sur la cuve. D'une part, les contraintes mécaniques à l'origine de fissures présentes dans les procédés de soudage du cuivre sur acier traditionnels et dues aux coefficients de dilatation différents de l'acier et du cuivre n'existent plus. D'autre part, le procédé de soudage par explosion du cuivre sur l'acier, limitant les risques de fissures mais extrêmement long à réaliser et donc coûteux n'est plus nécessaire. Le dispositif d'alimentation électrique des cathodes des cellules à diaphragme d'électrolyse chlore-soude selon l'invention présente donc les avantages d'un dispositif peu coûteux et simple à mettre en oeuvre industriellement tout en diminuant considérablement les pertes énergétiques dues aux chutes de tension des dispositifs traditionnels. Selon une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, la plaque de cuivre 16 se substitue à la paroi latérale 11 de la cuve ou à une partie de la paroi latérale 11 de la cuve. La plaque de cuivre est ainsi soudée sur son épaisseur, grâce à une soudure périmétrique sur l'acier de la cuve. Les cathodes sont ainsi connectées directement à la plaque de cuivre par l'intermédiaire des moyens de connexion électrique comme décrits précédemment. Dans ce mode de réalisation, la plaque 16 est alimentée directement de l'extérieur par une source de courant provenant d'un générateur de courant ou d'une autre cuve. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation électrique de cathodes (12-1 à 12-n) d'une cuve à diaphragme d'électrolyse chloresoude 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 (6) composé d'au moins une plaque de cuivre (16) reliée électriquement aux cathodes par l'intermédiaire de moyens de connexion électrique ; caractérisé en ce que ladite plaque de cuivre (16) est directement en contact avec l'électrolyte de ladite cuve à électrolyse (10), lesdites cathodes étant connectées directement à ladite plaque de cuivre par l'intermédiaire desdits moyens de connexion électrique. 2. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1, dans lequel ladite plaque de cuivre (16) se trouve à l'intérieur de ladite cuve à électrolyse (10). 3. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 2, dans lequel la plaque (16) traverse la cuve de façon étanche par une ouverture (17) dans une première paroi latérale (9) de ladite cuve à électrolyse. 4. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1 dans lequel ladite plaque de cuivre (16) se substitue à une des parois latérales de ladite cuve (10) ou à une partie d'une des parois latérales de ladite cuve (10). 5. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1, 2,3 ou 4, dans lequel un raidisseur (14) à l'intérieur de chaque cathode (12) est relié électriquement et mécaniquement à ladite cathode. 6. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 5, dans lequel les moyens de connexion électrique sont des soudures entre les raidisseurs (14-1 à 14-n) et ladite plaque (16). 7. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 3, dans lequel l'élément de connexion électrique (6) comprend une plaque (7) extérieure à la cuve et parallèle à ladite première paroi latérale (9) de la cuve, une première plaque (16) intérieure à ladite cuve, traversant la paroi (9) et parallèle à une des deux parois latérales contiguës à ladite première paroi latérale (9), et une deuxième plaque (26) parallèle à l'autre desdites parois contiguës à la première paroi latérale (9) et traversant ladite première paroi latérale (9), les extrémités des raidisseurs (14-1 à 14-n) étant connectées électriquement à chacune desdites première et deuxième plaques (16) et (26).