Brevet FR2871479A1 — publié le 20051216

Circuit électrique d'un électrolyseur à électrodes bipolaires et installation d'électrolyse à électrodes bipolaires L'invention se rapporte aux électrolyseurs à électrodes bipolaires, spécialement à l'alimentation électrique de tels électrolyseurs. L'invention concerne plus spécialement un circuit électrique pour l'alimentation d'un électrolyseur à électrodes bipolaires, en courant électrique redressé. On utilise couramment dans l'industrie électrochimique, des électrolyseurs à électrodes bipolaires, alimentés en courant continu. De tels électrolyseurs sont couramment utilisés pour l'électrolyse de solutions aqueuses de chlorure. de sodium, dans le but de produire du chlore, des solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium ou des solutions aqueuses de chlorate de sodium. Prenant en compte les densités de courant élevées mises en oeuvre dans les électrolyseurs à électrodes bipolaires, on substitue généralement au courant continu un courant alternatif redressé. Le courant alternatif redressé présente normalement des pulsations dont la fréquence et l'amplitude dépendent du redresseur utilisé. De ce fait, le champ électromagnétique produit par le courant alternatif redressé est susceptible de générer des courants induits dont l'intensité peut être relativement élevée dans certaines applications industrielles, notamment avec les électrolyseurs bipolaires pour la production continue de chlore et de solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium. On sait par ailleurs que les champs électromagnétiques élevés peuvent avoir dans des conditions extrêmes des conséquences dommageables sur l'organisme humain, surtout ceux produits par du courant alternatif redressé, à cause des courants induits qu'ils risquent de générer. Il est par conséquent important de prendre des mesures pour protéger le personnel au voisinage des installations industrielles ou y réduire l'importance des champs électromagnétiques. Des normes ont d'ailleurs été édictées en ce sens, imposant de limiter l'importance des champs électromagnétiques dans les locaux industriels. Parmi ces normes, la norme européenne 89/391/EEC est particulièrement sévère. L'invention a pour objectif de fournir un circuit électrique de conception nouvelle, pour alimenter un électrolyseur industriel à électrodes bipolaires avec un courant électrique de forte intensité. L'invention a notamment pour objectif de fournir un circuit électrique avec lequel le champ électromagnétique au voisinage de l'électrolyseur est réduit à une valeur suffisamment faible pour respecter la norme européenne précitée. L'invention a plus particulièrement pour objectif de réduire l'importance du champ magnétique sur les passerelles longeant les parois latérales des électrolyseurs à électrodes bipolaires. En conséquence, l'invention concerne un circuit électrique d'un électrolyseur à électrodes bipolaires, comprenant au moins une ligne de courant électrique qui est disposée en dehors de l'électrolyseur, le circuit se caractérisant en ce que la ligne de courant électrique comprend au moins une barre omnibus qui est disposée au-dessous et/ou au dessus de l'électrolyseur. L'invention s'applique plus spécifiquement aux électrolyseurs à électrodes bipolaires sensiblement verticales. De tels électrolyseurs sont bien connus en technique où ils sont largement utilisés pour l'électrolyse de solutions aqueuses d'halogénures métalliques, notamment de chlorure de sodium. Ces électrolyseurs sont généralement formés d'une succession de cadres métalliques comprenant chacun une électrode bipolaire, ces cadres étant juxtaposés à la manière d'un filtre presse (Moderne Chlor-alkali technology, Volume 3, SCI, 1986, chapitre 13 Operating experience gained with the bipolar Hoechst-Uhde membrane cell ; Moderne Chlor-alkali technology, Volume 4, SCI, 1990, chapitre 20 Hoechst-Uhde single element membrane electrolyzer: concept- experiences- applications ). Les cadres ont habituellement un profil carré ou rectangulaire, de sorte que lorsqu'ils sont juxtaposés à la manière d'un filtre presse, ils forment une paroi supérieure, une paroi inférieure ou de fond et deux parois latérales de 1' électrolyseur. L' électrolyseur est normalement alimenté avec du courant continu ou, plus généralement, du courant alternatif redressé. Le courant continu ou redressé circule depuis une borne de la source de courant continu ou du redresseur, à travers les électrodes bipolaires, puis retourne à l'autre borne de la source de courant continu ou du redresseur par une ligne de courant électrique qui se situe en dehors de l'électrolyseur. Conformément à l'invention, ladite ligne de courant électrique de retour comprend au moins une barre omnibus qui est disposée au-dessous ou au-dessus de l'électrolyseur. Le choix de disposer la barre omnibus au-dessous ou au- dessus de l'électrolyseur est déterminé par des considérations en relation avec la construction de l'électrolyseur et le mode d'assemblage des électrodes bipolaires. En variante, la ligne de courant électrique précitée peut comprendre une barre omnibus disposée au-dessous de l'électrolyseur et une autre barre omnibus qui est disposée au-dessus de 1' électrolyseur. Selon une autre variante, l'électrolyseur peut également comprendre plusieurs barres omnibus sous l'électrolyseur et/ou plusieurs barres omnibus au-dessus de l'électrolyseur. En pratique, pour des considération relatives à l'assemblage et à l'entretien de 1' électrolyseur, on préfère généralement que la ligne de courant électrique précitée ne comprenne pas de barre omnibus au-dessus de l'électrolyseur. On a trouvé que, toutes autres choses étant égales par ailleurs, le circuit électrique selon l'invention réduit de manière sensible le champ électromagnétique au voisinage de l'électrolyseur à électrodes bipolaires, principalement le long des parois latérales de celui-ci, spécialement sur les passerelles qui sont habituellement présentes le long de ces parois latérales et qui sont utilisées par le personnel d'exploitation et de maintenance. Par la suite, l'expression au voisinage de l' électrolyseur désignera l'espace situé le long des parois latérales de l'électrolyseur, où sont normalement disposées les passerelles utilisées par le personnel d'exploitation et de maintenance de 1' électrolyseur. Dans le circuit électrique selon l'invention, la matière de la barre omnibus n'est pas critique pour la définition de l'invention. On réalise généralement celle-ci en cuivre, en aluminium ou en alliage d'aluminium. Dans le circuit électrique selon l'invention, le profil de la section transversale de la barre omnibus n'est pas critique pour la définition de l'invention. Il peut par exemple être carré, rectangulaire, circulaire ou polygonal. Dans une première forme de réalisation particulière du circuit électrique selon l'invention, la barre omnibus présente un profil rectangulaire et elle est orientée de manière que ses grandes faces soient sensiblement horizontales. On a observé que, toutes autres choses étant égales par ailleurs, la sélection d'une barre omnibus de section rectangulaire, disposée horizontalement au-dessous et/ou au-dessus de l'électrolyseur minimise la grandeur du champ électromagnétique au voisinage de l'électrolyseur. On a également observé que la diminution du champ électromagnétique au voisinage de l'électrolyseur est d'autant plus importante que le rapport entre l'épaisseur et la largeur de la barre omnibus est petit. En pratique, on préfère par conséquent utiliser, pour la barre omnibus, un plat métallique. En variante, on peut utiliser plusieurs plats métalliques disposés côte à côte au-dessous et/ou au-dessus de l'électrolyseur. On a par ailleurs observé que, toutes autres choses étant égales, la grandeur du champ électromagnétique au voisinage de l'électrolyseur diminue lorsque l'on rapproche la barre omnibus de la paroi de l'électrolyseur. En conséquence, dans une seconde forme de réalisation du circuit électrique selon l'invention, la barre omnibus est disposée à proximité immédiate d'une paroi de l'électrolyseur. Dans cette forme de réalisation de l'invention, ladite paroi de 1' électrolyseur est la paroi inférieure ou de fond de l'électrolyseur ou sa paroi supérieure, selon que la barre omnibus est située au-dessous ou au-dessus de l'électrolyseur. Dans cette forme de réalisation de l'invention, l'expression à proximité immédiate de la paroi de l'électrolyseur signifie que l'écart entre cette paroi et la barre omnibus est au maximum égal à cinq fois (de préférence trois fois) l'épaisseur de la barre omnibus. De manière préférée, cet écart n'excède pas l'épaisseur de la barre omnibus. Dans une variante préférée de la seconde forme de réalisation susdite de l'invention, la barre omnibus est accolée à ladite paroi de l'électrolyseur. Dans cette variante de réalisation préférée de l'invention, la barre omnibus est avantageusement un plat métallique dont une des grandes faces est accolée à ladite paroi, seule l'épaisseur des isolants électriques nécessaires séparant la barre de la paroi. Le plat métallique peut être accolé sur une partie de la superficie de ladite paroi. On préfère que le plat métallique soit accolé sur sensiblement la totalité de la superficie de ladite paroi. Dans une troisième forme de réalisation particulière de l'invention, la ligne électrique précitée comprend en outre deux barres omnibus additionnelles, qui sont disposées respectivement à proximité immédiate de deux parois latérales de l'électrolyseur. Dans cette forme de réalisation de l'invention, l'expression à proximité immédiate est conforme à la définition qui a été donnée de cette expression dans la seconde forme de réalisation exposée plus haut. Toutes autres choses égales par ailleurs, la présence des barres omnibus additionnelles réduit la grandeur du champ électromagnétique au voisinage de l'électrolyseur. Dans cette troisième forme de réalisation selon l'invention, les barres omnibus additionnelles peuvent avoir toute forme compatible avec la construction de l'électrolyseur. Elles peuvent par exemple avoir un profil carré, rectangulaire, polygonal, ovale ou circulaire. Les barres omnibus additionnelles peuvent par ailleurs avoir le même profil ou des profils différents et elles peuvent avoir les mêmes dimensions ou des dimensions différentes. En pratique, on préfère toutefois que les barres omnibus additionnelles aient le même profil et les mêmes dimensions. On préfère par ailleurs que les barres omnibus additionnelles aient un profil rectangulaire et qu'elles soient accolées par leur grande face respectivement aux deux parois latérales de l'électrolyseur. Dans la troisième forme de réalisation de l'invention qui vient d'être décrite, les dimensions respectives des barres omnibus additionnelles et celles de la ou de chaque barre omnibus qui est disposée au-dessous et/ou au-dessus de 1' électrolyseur sont déterminée en fonction de la manière dont on souhaite répartir le courant électrique dans l'ensemble de ces barres omnibus. En pratique, on recommande que l'intensité du courant électrique dans la barre omnibus située au-dessous et/ou au-dessus de l'électrolyseur ne diffère pas de plus de 30% (de préférence de plus de 20%) par rapport à l'intensité du courant électrique dans chacune des barres omnibus additionnelles. On préfère que l'intensité du courant électrique soit sensiblement identique dans la barre omnibus qui est située au-dessous et/ou au dessus de l'électrolyseur et dans chacune des barres omnibus additionnelles. Dans une quatrième forme de réalisation de l'invention, qui est spécialement avantageuse, la ligne de courant électrique de retour du circuit électrique est positionnée de manière à engendrer un champ électromagnétique qui est sensiblement symétrique par rapport au plan vertical médian de 1' électrolyseur. Dans cette forme de réalisation, l'objectif recherché (engendrer un champ électromagnétique qui est sensiblement symétrique par rapport au plan vertical médian de l'électrolyseur) est obtenu en dimensionnant et positionnant de manière adéquate la ou chaque barre omnibus. Le choix des dimensions optimales et de la position optimale est déterminé par l'homme du métier, notamment en fonction de la forme et des dimensions de 1' électrolyseur. En pratique, on peut généralement obtenir ce résultat en disposant la barre omnibus ou les barres omnibus symétriquement par rapport au plan vertical médian de 1' électrolyseur. Le circuit électrique selon l'invention réduit de manière sensible le champ électromagnétique au voisinage de l'électrolyseur à électrodes bipolaires. En conséquence, l'invention concerne aussi l'utilisation du circuit 35 électrique selon l'invention, pour réduire le champ électromagnétique au voisinage de 1' électrolyseur. Le circuit électrique selon l'invention s'applique spécialement aux électrolyseurs pour l'électrolyse continue de l'eau ou de solutions aqueuses telles que des solutions aqueuses d'halogénure de métal alcalin, spécialement de chlorure de sodium. En conséquence, dans une forme de réalisation préférée de l'invention, l'électrolyseur comprend un conduit pour l'admission continue d'un électrolyte aqueux et un conduit pour l'évacuation continue d'un électrolyte aqueux. L'invention s'applique notamment aux électrolyseurs pour la fabrication de chlorate de sodium par électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium. L'invention s'applique spécialement bien aux électrolyseurs pour la fabrication de chlore et de solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium, par électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium, ces électrolyseurs comprenant des membranes sélectivement perméables aux cations, qui sont interposées entre les électrodes bipolaires. Le circuit électrique selon l'invention s'applique à toute installation d'électrolyse incorporant au moins un électrolyseur à électrodes bipolaires verticales. En conséquence, l'invention concerne également une installation d'électrolyse comprenant au moins un électrolyseur à électrodes bipolaires, raccordée à un circuit électrique conforme à l'invention. L'installation selon l'invention peut comprendre un seul électrolyseur ou plusieurs électrolyseurs raccordés en série électrique. L'invention concerne en particulier l'utilisation de cette installation, pour la production de chlore et de solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium. Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante des figures annexées, qui représentent quelques formes de réalisation particulières de l'invention. La figure 1 montre en plan le schéma général d'une installation d'électrolyse antérieure à l'invention; La figure 2 est une vue schématique en élévation longitudinale d'une forme de réalisation particulière de l'installation d'électrolyse selon l'invention; La figure 3 est une coupe transversale verticale selon le plan III-III de la figure 2; La figure 4 est une vue analogue à la figure 3, d'une autre forme de réalisation de l'installation selon l'invention; La figure 5 est une variante préférée de l'installation de la figure 4. Dans ces figures, des mêmes notations de référence désignent des éléments identiques. L'installation d'électrolyse schématisée à la figure 1 est antérieure à l'invention et n'est pas conforme à celle-ci. Elle comprend trois électrolyseurs 1, 2 et 3 conçus pour la production de chlore, d'hydrogène et d'hydroxyde de sodium par électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de sodium. Les électrolyseurs 1, 2 et 3 sont du type à électrodes bipolaires verticales. Ils sont formés par la juxtaposition de cadres rectangulaires verticaux 4, contenant chacun une électrode bipolaire verticale (non représentée). Les cadres 4 sont juxtaposés à la manière d'un filtre presse. Des membranes sélectivement perméables aux cations sont interposées entre les cadres 4 pour délimiter des chambres alternativement anodiques et cathodiques. Les chambres anodiques des électrolyseurs 1, 2 et 3 sont en communication avec une conduite (non représentée) pour l'admission continue d'une solution aqueuse de chlorure de sodium. Elles sont en outre en communication avec un collecteur (non représenté) pour l'évacuation continue de chlore. Les chambres cathodiques des électrolyseurs 1, 2 et 3 sont en communication avec deux collecteurs (non représentés) qui servent respectivement à l'extraction continue d'hydrogéné, d'une part, et d'une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium, d'autre part. Les électrolyseurs 1, 2 et 3 sont couplés en série électrique à un redresseur 5 d'une source de courant alternatif; au moyen d'un circuit électrique comprenant, d'une part des barres conductrices 6 interposées entre les électrolyseurs 1, 2 et 3 et, d'autre part, une ligne de courant électrique de retour 7, disposée en dehors des électrolyseurs 1, 2, 3. Le circuit électrique comprend en outre un interrupteur bipolaire 8. Dans l'installation d'électrolyse de la figure 1, la ligne de courant électrique de retour 7 consiste en une longue barre omnibus qui longe une paroi latérale longitudinale des électrolyseurs 1, 2 et 3. Dans l'installation d'électrolyse schématisée à la figure 1, chacun des trois électrolyseurs 1, 2, 3 peut par exemple comprendre de 30 à 40 cellules d'électrolyse élémentaires et l'alimentation électrique comprend par exemple un redresseur de courant continu de 520V, capable de débiter un courant de 8 à 20 kA. En fonction de la superficie des électrodes, il peut en résulter une densité de courant anodique de 2,5 à 6 kA/m2 d'aire des anodes. Ces valeurs numériques sont toutefois de nature purement indicative et ne limitent pas la portée de l'invention et des revendications qui suivent. Lorsque l'interrupteur bipolaire est fermé, du courant électrique redressé circule successivement dans les électrolyseurs 1, 2, 3, à travers leurs électrodes bipolaires et dans la ligne de retour 7. Ce courant électrique génère un champ électromagnétique dans l'environnement de l'installation. L'installation schématisée aux figures 2 et 3 est conforme à l'invention. Dans ces figures, seul l'électrolyseur 3 a été représenté. Dans l'installation des figures 2 et 3, la ligne de courant électrique de retour 7 comprend deux barres omnibus 9 et 10 qui sont disposées sous la paroi inférieure 1l de l'électrolyseur 3. Les barres omnibus 9 et 10 sont des barreaux prismatiques en métal bon conducteur de l'électricité (de préférence en cuivre ou en aluminium). Ces barreaux sont disposés symétriquement de part et d'autre du plan vertical médian X-X de l'électrolyseur. Les barreaux 9 et 10 sont en outre disposés au voisinage de la paroi inférieure 11 de l'électrolyseur 3. La disposition des barres omnibus 9 et 10 de la manière schématisée à la figure 3 a pour effet de réduire la grandeur du champ électromagnétique sur les passerelles 12 qui longent les parois latérales 13 de l'électrolyseur 3 et qui sont destinées au personnel d'entretien de l'électrolyseur. Toutes autres choses égales par ailleurs, on a observé que l'intensité du champ électromagnétique sur les passerelles 12 est d'autant plus réduit que les barreaux 9 et 10 sont proches du plan médian X-X et de la paroi inférieure 11. On a également observé que l'on réduit la grandeur du champ électromagnétique sur les passerelles 12 en diminuant le rapport entre l'épaisseur et la largeur des barreaux 9 et 10. On préfère dès lors utiliser, pour les barres omnibus 9 et 10, des plats ou des feuillards horizontaux. Dans la forme de réalisation schématisée à la figure 4, la ligne de courant électrique de retour 7 comprend un plat ou un feuillard métallique 14 qui est accolé à la paroi inférieure 11 de l'électrolyseur et qui recouvre sensiblement la totalité de cette paroi. Dans l'installation de la figure 5, la ligne de courant électrique 7 comprend un plat métallique 14 qui est appliqué contre la paroi inférieure 11 de l'électrolyseur 3 et deux barres omnibus additionnelles 15 et 16 qui longent respectivement les deux parois latérales 13 de l'électrolyseur 3. Les deux barres omnibus additionnelles 15 et 16 sont avantageusement des plats ou des feuillards métalliques qui sont accolés aux parois latérales 13. REVENDICATIONS 1 - Circuit électrique d'un électrolyseur à électrodes bipolaires, comprenant au moins une ligne de courant électrique qui est disposée en dehors de l'électrolyseur, caractérisé en ce que la ligne de courant électrique (7) comprend au moins une barre omnibus (9, 10, 14) qui est disposée au-dessous et/ou au-dessus de l'électrolyseur (3). 2 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la barre omnibus (14) est accolée à une paroi (11) de l'électrolyseur (3). 3 - Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi est une paroi de fond (11) de l'électrolyseur. 4 - Circuit selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la barre omnibus est un plat métallique (14) dont une des grandes faces est accolée à la paroi (11). - Circuit selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la barre omnibus (14) est accolée sur sensiblement la totalité de la superficie de la paroi (11). 6 - Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la ligne électrique (7) comprend en outre deux barres omnibus additionnelles (15, 16), qui sont accolées respectivement à deux parois latérales (13) de l'électrolyseur (3). 7 - Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la ligne électrique (7) est positionnée de manière à engendrer un champ électromagnétique qui est sensiblement symétrique par rapport au plan vertical médian (X-X) de l'électrolyseur. 8 - Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'électrolyseur comprend un conduit pour l'admission continue d'un électrolyte aqueux et un conduit pour l'évacuation continue d'un électrolyte aqueux. - 10 - 9 - Circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'électrolyseur comprend des membranes sélectivement perméables aux cations, qui sont interposées entre les électrodes bipolaires. - Utilisation du circuit électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour réduire le champ électromagnétique au voisinage de l'électrolyseur. 11 - Installation d'électrolyse comprenant au moins un électrolyseur (3) à électrodes bipolaires, raccordée à un circuit électrique ( 9, 10, 14, 15, 16) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9. 10. 12 - Utilisation de l'installation selon la revendication précédente, pour la production de chlore et de solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium.