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EP0400712A1 - Châssis pour électrolyseur du type filtre-presse et électrolyseurs du type filtre-presse - Google Patents

Châssis pour électrolyseur du type filtre-presse et électrolyseurs du type filtre-presse Download PDF

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Publication number
EP0400712A1
EP0400712A1 EP90201266A EP90201266A EP0400712A1 EP 0400712 A1 EP0400712 A1 EP 0400712A1 EP 90201266 A EP90201266 A EP 90201266A EP 90201266 A EP90201266 A EP 90201266A EP 0400712 A1 EP0400712 A1 EP 0400712A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sheet
chassis
electrolyser
uprights
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP90201266A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0400712B1 (fr
Inventor
Emile Cabaraux
Eric Paulus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Solvay SA
Original Assignee
Solvay SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Solvay SA filed Critical Solvay SA
Priority to AT90201266T priority Critical patent/ATE96854T1/de
Publication of EP0400712A1 publication Critical patent/EP0400712A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0400712B1 publication Critical patent/EP0400712B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type

Definitions

  • the invention relates to electrolysers of the filter press type and more particularly to chassis used in the construction of these electrolysers.
  • Electrolysers of the filter press type are generally formed by a stack of vertical frames which delimit electrolysis chambers in which electrodes are arranged vertically. Selectively permeable membranes or electrolyte permeable diaphragms can be inserted between the frames to separate the electrolysis chambers.
  • the frames are frames formed from an assembly of tubes which are used for the circulation of electrolytes and of products of electrolysis.
  • the electrodes are perforated metal plates, which are fixed to the frames, along their periphery.
  • the tubes forming the frames must be made of a material which withstands the chemical and thermal conditions prevailing in the electrolyser; they are generally made of titanium or nickel, depending on whether they are in an anode chamber or in a cathode chamber of a membrane cell used for the electrolysis of aqueous solutions of sodium chloride. Titanium and nickel have the disadvantage of having a high electrical resistivity, compared to materials such as steel, copper or aluminum, so that these electrolysers have poor energy yields.
  • electrolysers of the filter press type are described, in which the frames include a vertical sheet and a peripheral frame, the whole being lined with a stamped metal sheet.
  • the sheet is used to convey the electric current to the electrodes and is therefore generally made of steel, copper or aluminum.
  • the stamped sheet is used to isolate the sheet and the frame from the aggressive chemical medium present in the electrolyser; it is made of titanium or nickel, depending on whether it is in an anode chamber or in a cathode chamber of a membrane cell for the electrolysis of aqueous solutions of sodium chloride.
  • the chassis have a low resistance to the conduction of electric current, which constitutes an advantage.
  • These frames have the disadvantage, however, that their frame is unusable for the circulation of electrolytes and electrolysis products, because it is entirely covered by the stamped metal sheet.
  • the invention aims to provide a chassis for an electrolyser of the filter press type, which combines the respective advantages of the known electrolysers described above, while avoiding their drawbacks. It more particularly aims to provide a chassis having a low overall resistance to the conduction of electric current, and in which a part of the frame can be used for the circulation of electrolytes and electrolysis products.
  • the invention relates to a chassis for an electrolyser of the filter press type, comprising a vertical metal sheet jacketed with a metal sheet and a peripheral frame formed by two vertical uprights and two horizontal beams; according to the invention, the two uprights are secured to the sheet and are covered with the metal sheet, and the two side members are made of the same material as the sheet, are inserted between the uprights and are secured to the sheet.
  • the frame has the function of delimiting an electrolysis chamber of the electrolyser, the latter having to contain a vertical electrode.
  • the sheet has the function of stiffening the chassis, support the frame and conduct the electric current through the electrolyser.
  • the sheet metal material is not critical, provided it is electrically conductive. However, it is especially recommended to make it from a metal or metal alloy which is a good conductor of electricity; steel, copper and aluminum are preferred.
  • the material used for the side uprights of the frame is not critical.
  • the function of the metal sheet is to isolate the metal sheet and the uprights of the frame from the aggressive chemical medium present in the electrolyser. It must therefore be made of a material which is impermeable to the aggressive constituents of this medium and inert towards them.
  • a material selected from titanium, tantalum, niobium, zirconium, tungsten and the alloys of these metals when the chassis is intended to form an anode chamber of the electrolyser; when the chassis is intended to form a cathode chamber of the electrolyser, the material of the metal sheet is advantageously chosen from nickel and nickel alloys.
  • the metal sheet must also be shaped so that it rests on the sheet, between the uprights and overlaps the uprights.
  • the profile to be given to the sheet therefore depends on the dimensions and the shape of the side members and can be obtained by a stamping or folding operation.
  • the thickness of the sheet must be sufficient for it to withstand the mechanical stresses to which it is subjected during the operation of the electrolyser. Notwithstanding this condition, it is advantageous to use the thinnest possible sheet, so that its electrical resistance, transversely to its surface, is as low as possible. The optimum thickness can be easily determined as soon as its other dimensions have been fixed, the material constituting it and the operating conditions of the electrolyser.
  • the horizontal frame rails must be made in a material which resists the aggressive chemical medium present in the electrolyser. We prefer to make them in the same material as the metal foil. They must also be secured to the metal foil in a sufficiently watertight manner to isolate the sheet and the uprights of the chassis from the aggressive medium present in the electrolyser.
  • the joining of the side members to the metal sheet is usually obtained by welding.
  • the chassis according to the invention is intended to be attached to similar chassis to form an electrolyser of the filter press type.
  • the chassis according to the invention serves to delimit an electrolysis chamber containing a vertical electrode.
  • the electrode is generally made of metal and can be connected to the metal foil by means of electrically conductive junction elements. These can for example be studs or metal profiles welded to the electrode and to the metal sheet. It is recommended that the metal foil is welded to the sheet metal, under the joining elements, to reduce the electrical resistance of the assembly.
  • the chassis comprises, on the one hand, a metal sheet and a peripheral frame on each face of the sheet and, on the other hand, two vertical electrodes arranged respectively on the side and on the 'other of the sheet and respectively connected to the metal sheets by electrically conductive junction elements.
  • the two electrodes are two anodes or two cathodes; the two metal sheets can then be made of the same material and the metal sheet must be extended by a metal strip extending outside the frame, to be connected to a source of electric current.
  • one electrode is an anode and the other electrode is a cathode
  • the metal sheet then serving for the transfer of the electric current from the cathode to the anode when the electrolyser is in operation.
  • the uprights and the frame members may have any cross section compatible with the construction of the electrolyser. We prefer to give them a polygonal cross section, generally square, rectangular or trapezoidal.
  • the longitudinal members are profiled so as to form, along the sheet, two longitudinal channels which are pierced with openings on their respective walls which face each other; one of the channels is also connected to an electrolyte intake conduit, the other channel being connected to a conduit for discharging the products of electrolysis.
  • the channels of the side members serve to distribute the electrolyte in the electrolysis chamber delimited by the frame and to evacuate the products thereof resulting from the electrolysis.
  • the chassis according to the invention can be adapted to the construction of monopolar electrolysers or bipolar electrolysers.
  • the invention therefore also relates to monopolar electrolysers of the filter press type and bipolar electrolysers of the filter press type, formed from a stack of chassis in accordance with the invention, said chassis delimiting electrolysis chambers which contain electrodes. .
  • the invention applies especially to electrolysers of this type, in which the electrolysis chambers are separated by separators which are permeable to ions.
  • the separators are sheets interposed between the successive frames of the stack and made of a material capable of being traversed by an ion current during the operation of the electrolyser. They can be either diaphragms permeable to aqueous electrolytes or membranes with selective permeability.
  • diaphragms which can be used in electrolysers according to the invention are asbestos diaphragms, such as those described in patent US-A-1855497 (STUART) and in patents FR-A-2400569, EP-A-1644 and EP -A-18034 (SOLVAY & Cie) and diaphragms in organic polymers, such as those described in patents FR-A-2170247 (IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES PLC) and in patents EP-A-7674 and EP-A-37140 (SOLVAY & Cie).
  • asbestos diaphragms such as those described in patent US-A-1855497 (STUART) and in patents FR-A-2400569, EP-A-1644 and EP -A-18034 (SOLVAY & Cie)
  • diaphragms in organic polymers such as those described in patents FR-A-2170247 (IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES PLC) and
  • membranes with selective permeability is understood to mean thin, non-porous membranes comprising an ion-exchange material.
  • the choice of the material constituting the membranes and of the ion exchange material will depend on the nature of the electrolytes subjected to the electrolysis and on the products which it is sought to obtain.
  • the material of the membranes is chosen from those which are capable of withstanding the thermal and chemical conditions normally prevailing in the electrolyser during electrolysis, the ion-exchange material being chosen from anion-exchange materials or cation exchange materials, depending on the electrolysis operations for which the electrolyser is intended.
  • membranes which are well suited are cationic membranes in fluorinated polymer, preferably perfluorinated, containing cationic functional groups derived from sulfonic acids, carboxylic acids or phosphonic acids or mixtures of such functional groups.
  • membranes of this type are those described in patents GB-A-1497748 and GB-A-1497749 (ASAHI KASEI KOGYO KK), GB-A-1518387, GB-A-1522877 and US-A-4126588 (ASAHI GLASS COMPANY LTD) and GB-A-1402920 (DIAMOND SHAMROCK CORP.).
  • Membranes particularly suitable for this application of the cell according to the invention are those known under the names "NAFION” (DU PONT DE NEMORS & Co) and "FLEMION” (ASAHI GLASS COMPANY LTD).
  • the electrolysers according to the invention find a particularly advantageous application for the production of chlorine and aqueous solutions of sodium hydroxide by electrolysis of aqueous solutions of sodium chloride.
  • the invention is specifically applied to electrolysers of the cationic membrane filter press type, for the production of chlorine and aqueous sodium hydroxide solutions by electrolysis of aqueous sodium chloride solutions.
  • the chassis according to the invention is designed to form two anode chambers paired with a monopolar electrolyser. It comprises a vertical sheet 1 of copper and two peripheral frames respectively disposed on either side of the sheet 1.
  • the frames have a rectangular cross section. They each include two vertical uprights 2 and 3 of copper or steel, welded to the sheet 1 and two longitudinal members 4 and 5 of titanium.
  • the sheet is lined in two titanium sheets 6 folded in the shape of an ⁇ , so that they are applied to the sheet 1 under the side members 4 and 5 and overlap the uprights 2 and 3.
  • the titanium sheets 6 are welded to the side members 4 and 5 by means of continuous weld beads, so as to form a sealed assembly.
  • Two vertical anodes 7 are disposed respectively inside the frames. Each of them consists of an openwork vertical titanium plate, carrying a conductive coating with low overvoltage for the electrochemical oxidation of chloride ions. Such coatings are well known in the art of electrolysis.
  • Each plate 7 is fixed to the sheet 6 by means of vertical titanium profiles 8.
  • the sheet 1 is extended outside the frames in the form of a marginal strip 9 intended to be connected to the positive terminal of a source direct current.
  • the electrical connection between the current source (not shown) and the anode plates 7 is made via the marginal strip 9, the sheet 1, the titanium sheets 6 and the profiles 8.
  • the electrical connection between the sheet 1 and the sheets 6 can be obtained under the action of the hydrostatic pressure of the electrolyte during the operation of the electrolyser; as a variant, it is possible to provide welding points for the sheets 6 to the sheet 1, under the profiles 8.
  • the tubular beams 4 and 5 are tubes of rectangular section thus delimiting four longitudinal channels 23. Their ends are hermetically welded to the sheets 6. They are moreover pierced with openings 10 regularly distributed on their walls which face each other.
  • the lower tubular beams 5 are provided with a tube 11 for the admission into their respective channels 23, of an aqueous solution of sodium chloride to be electrolyzed; similarly, the upper beams 4 are provided with a tube 12 for the evacuation of the electrolysis products, in this case chlorine and a dilute solution of sodium chloride.
  • the side members 4 and 5 are each formed of a titanium plate folded in a U and welded to the titanium sheet 6 so as to delimit the channel 23.
  • the horizontal beams 4 and 5, the sheets 6, the profiles 8 and the plates 7 (forming cathodes) are made of nickel.
  • the nickel plates 7 can advantageously carry a conductive coating with low overvoltage of electrochemical reduction of the protons; such coatings are well known in the art of electrolysis.
  • the chassis according to the invention is designed to form two twin chambers, respectively anode 13 and cathode 14, of a bipolar electrolyser.
  • it has the same spatial configuration as the chassis of FIGS. 1 to 3 and it also comprises a vertical sheet 1 of copper and, on each face of the latter, two vertical uprights 2 and 3 of copper or steel, welded to the sheet 1.
  • the anode chamber 13 is arranged like each of the twin anode chambers of the chassis of FIGS. 1 to 3.
  • the sheet 6 covers the sheet 1 and the two uprights 2 and 3, two titanium beams 4 and 5 pierced with a row of openings on their opposite walls, facing the titanium sheet 6 and a titanium anode (carrying an active coating for the electrochemical oxidation of chloride ions) fixed to the sheet 6 by titanium profiles 8.
  • the sheet 1 and the two vertical uprights 2 and 3 are covered with a nickel sheet 6 ′.
  • the two tubular beams 4 ′ and 5 ′ (pierced with a row of openings 10 ′ in their facing walls), the plate 7 ′ and the profiles 8 ′ are made of nickel.
  • the nickel cathode plate 7 ′ is preferably provided with an active coating for the electrochemical reduction of the protons.
  • the tubing 11 ′ is used for the admission of water or a dilute aqueous solution of sodium hydroxide into the channel 23 ′ defined by the lower beam 5 ′ and the tubing 12 ′ is used for the evacuation of the products of the electrolysis (in this case hydrogen and a concentrated aqueous solution of sodium hydroxide) outside the channel 23 ′ defined in the upper tubular beam 4 ′.
  • the products of the electrolysis in this case hydrogen and a concentrated aqueous solution of sodium hydroxide
  • the electrolyser shown in FIG. 7 is of the monopolar type. It is made up of a stack of vertical frames, alternately anodic 15 and cathodic 15 ′.
  • the anode frames 15 are similar to those described above, with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the cathode frames 15 ′ are analogous to the anode frames 15, in which the constituent elements in titanium have been replaced by similar elements in nickel.
  • These nickel elements of chassis 15 ′ have the same reference numbers as their respective counterparts of chassis 15, but are assigned a prime index (′).
  • the electrolyser is terminated by a 15 ′ cathode half-frame.
  • the chassis 15 and 15 ′ are separated by cationic membranes 16, which thus delimit alternately anodic and cathodic electrolysis chambers.
  • the stack of frames 15 and 15 ′ and membranes 16 is retained between end plates 17 and 18, connected by tie rods not shown.
  • Sheets 24 of an electrically non-conductive material provide electrical insulation between the flanges 17 and 18 and the end half-frames 15 ′ of the electrolyser.
  • the marginal bands 9 (FIG. 2) of the sheets 1 of the anode frames 15 are connected to a common bus bar, connected to the positive terminal of a direct current source, the marginal bands 9, the bus bar and the current source n 'not being visible in Figure 7.
  • the marginal strips of the sheets 1 of the cathode frames 15' are connected to a common bus bar, connected to the negative terminal of the DC source.
  • the pipes 11 and 12 of the anode frames 15 open respectively into a common manifold 19 for admitting an aqueous solution of sodium chloride and into a manifold 20 serving for the evacuation of a chlorine emulsion in a solution. dilute aqueous sodium chloride.
  • the tubes 11 ′ and 12 ′ of the cathode frames 15 ′ open respectively into two general collectors 19 ′ and 20 ′, the manifold 19 ′ serving for the admission of water or a dilute solution of sodium hydroxide in the cathode chambers and the collector 20 ′ serving for the evacuation of the hydrogen produced during the electrolysis and of a concentrated solution of sodium hydroxide.
  • the electrolyser shown in FIG. 8 is of the bipolar type. It is formed by a stack of chassis conforming to that shown in FIGS. 5 and 6 and by cationic membranes 16, so as to delimit alternately anodic 13 and cathodic 14 electrolysis chambers. At its ends, the electrolyser is terminated by two half-frames, respectively anode 21 and cathode 22.
  • the sheet 1 of the anode half 21 is connected to the positive terminal of a direct current source, not shown and the sheet 1 of the cathode half frame 22 is connected to the negative terminal of the current source.

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Abstract

Châssis pour un électrolyseur du type filtre-presse compre­nant une tôle métallique verticale (1), un cadre périphérique formé de deux montants verticaux (2, 3) et de deux longerons horizontaux (4, 5) et une feuille métallique (6) recouvrant la tôle (1) et les deux montants (2, 3), les deux longerons (4, 5) étant réalisés dans le même matériau que la feuille (6), étant insérés entre les montants (2, 3) et étant solidarisés à la feuille (6). Electrolyseurs du type filtre-presse comprenant ce châssis.

Description

  • L'invention concerne des électrolyseurs du type filtre-­presse et plus particulièrement des châssis entrant dans la construction de ces électrolyseurs.
  • Les électrolyseurs du type filtre-presse sont généralement formés d'un empilage de châssis verticaux qui délimitent des chambres d'électrolyse dans lesquelles des électrodes sont disposées verticalement. Des membranes à perméabilité sélective ou des diaphragmes perméables aux électrolytes peuvent être insérés entre les châssis, pour séparer les chambres d'élec­trolyse.
  • Dans le document US-A-4069129 (ASAHI GLASS COMPANY), on décrit des électrolyseurs du type filtre-presse, dans lesquels les châssis sont des cadres formés d'un assemblage de tubes qui sont utilisés pour la circulation des électrolytes et des produits de l'électrolyse. Les électrodes sont des plaques métal­liques ajourées, qui sont fixées aux cadres, le long de leur périphérie. Dans ces électrolyseurs connus, les tubes formant les cadres doivent être en un matériau qui résiste aux conditions chimiques et thermiques régnant dans l'électrolyseur; ils sont généralement en titane ou en nickel, selon qu'ils se trouvent dans une chambre anodique ou dans une chambre cathodique d'une cellule à membrane servant à l'électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium. Le titane et le nickel présentent toutefois le désavantage de présenter une résistivité électrique élevée, comparativement à des matériaux tels que l'acier, le cuivre ou l'aluminium, de sorte que ces électrolyseurs présentent de piètres rendements énergétiques.
  • Dans les documents EP-A-185271 (ORONZIO de NORA) et WO 86/3787 (THE DOW CHEMICAL), on décrit des électrolyseurs du type filtre-presse, dans lesquels les châssis comprennent une tôle verticale et un cadre périphérique, l'ensemble étant chemisé d'une feuille métallique emboutie. La tôle est utilisée pour véhiculer le courant électrique vers les électrodes et est dès lors généralement réalisée en acier, en cuivre ou en aluminium. La feuille emboutie sert à isoler la tôle et le cadre du milieu chimique agressif présent dans l'électrolyseur; elle est réalisée en titane ou en nickel, selon qu'elle se trouve dans une chambre anodique ou dans une chambre cathodique d'une cellule à membrane pour l'électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium. Dans ces électrolyseurs connus, les châssis présentent une faible résistance à la conduction du courant électrique, ce qui constitue un avantage. Ces châssis présentent toutefois le désavantage que leur cadre est inutilisable pour la circulation des électrolytes et des produits de l'électrolyse, du fait qu'il est entièrement recouvert par la feuille métallique emboutie.
  • L'invention vise à fournir un châssis pour un électrolyseur du type filtre-presse, qui allie les avantages respectifs des électrolyseurs connus décrits plus haut, tout en évitant leurs inconvénients. Elle vise plus particulièrement à fournir un châssis présentant une faible résistance globale à la conduction du courant électrique, et dans lequel une partie du cadre peut être utilisée pour la circulation des électrolytes et des produits de l'électrolyse.
  • En conséquence, l'invention concerne un châssis pour un électrolyseur du type filtre-presse, comprenant une tôle métal­lique verticale chemisée d'une feuille métallique et un cadre périphérique formé de deux montants verticaux et de deux longerons horizontaux; selon l'invention, les deux montants sont solidarisés à la tôle et sont recouverts de la feuille métal­lique, et les deux longerons sont réalisés dans le même matériau que la feuille, sont insérés entre les montants et sont solida­risés à la feuille.
  • Dans le châssis selon l'invention, le cadre a pour fonction de délimiter une chambre d'électrolyse de l'électrolyseur, celle-ci devant contenir une électrode verticale.
  • La tôle a pour fonction de rigidifier le châssis, de supporter le cadre et de conduire le courant électrique à travers l'électrolyseur. Le matériau de la tôle métallique n'est pas critique, à condition qu'il soit conducteur de l'électricité. Il est toutefois spécialement recommandé de la réaliser en un métal sou alliage métallique bon conducteur de l'électricité; l'acier, le cuivre et l'aluminium sont préférés.
  • Le matériau utilisé pour les montants latéraux du cadre n'est pas critique.
  • La feuille métallique a pour fonction d'isoler la tôle métallique et les montants du cadre, du milieu chimique agressif présent dans l'électrolyseur. Elle doit dès lors être réalisée en un matériau qui soit imperméable aux constituants agressifs de ce milieu et inerte vis-à-vis d'eux. A titre d'exemple, dans le cas des électrolyseurs à membranes destinés à la production de chlore et de solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium, on peut utiliser un matériau sélectionné parmi le titane, le tantale, le niobium, le zirconium, le tungstène et les alliages de ces métaux, lorsque le châssis est destiné à former une chambre anodique de l'élec­trolyseur; lorsque le châssis est destiné à former une chambre cathodique de l'électrolyseur, le matériau de la feuille métal­lique est avantageusement choisi parmi le nickel et les alliages de nickel. La feuille métallique doit par ailleurs être profilée de manière qu'elle repose sur la tôle, entre les montants et chevauche les montants. Le profil à conférer à la feuille dépend dès lors des dimensions et de la forme des longerons et peut être obtenu par une opération d'emboutissage ou de pliage. L'épaisseur de la feuille doit être suffisante pour qu'elle résiste aux sollicitations mécaniques auxquelles elle est soumise pendant le fonctionnement de l'électrolyseur. Nonobstant cette condition, on a intérêt à utiliser une feuille la plus mince possible, de manière que sa résistance électrique, transversalement à sa surface, soit la plus faible possible. L'épaisseur optimum peut être déterminée aisément dès que l'on a fixé ses autres dimensions, le matériau la constituant et les conditions d'exploitation de l'électrolyseur.
  • Les longerons horizontaux du cadre doivent être réalisés en un matériau qui résiste au milieu chimique agressif présent dans l'électrolyseur. On préfère les réaliser dans le même matériau que la feuille métallique. Ils doivent par ailleurs être soli­darisés à la feuille métallique de manière suffisamment étanche pour isoler la tôle et les montants du châssis du milieu agressif présent dans l'électrolyseur. La solidarisation des longerons à la feuille métallique est habituellement obtenue par soudage.
  • Le châssis selon l'invention est destiné à être accolé à des châssis analogues pour former un électrolyseur du type filtre-­presse. Dans celui-ci, le châssis selon l'invention sert à délimiter une chambre d'électrolyse contenant une électrode verticale. L'électrode est généralement en métal et peut être reliée à la feuille métallique, au moyen d'éléments de jonction conducteurs de l'électricité. Ceux-ci peuvent être par exemple des tenons ou des profilés métalliques soudés à l'électrode et à la feuille métallique. Il est recommandé que la feuille métal­lique soit soudée à la tôle, sous les éléments de jonction, pour réduire la résistance électrique de l'assemblage.
  • Conformément à une forme de réalisation particulière de l'invention, le châssis comprend, d'une part, une feuille métal­lique et un cadre périphérique sur chaque face de la tôle et, d'autre part, deux électrodes verticales disposées respectivement de part et d'autre de la tôle et reliées respectivement aux feuilles métalliques par des éléments de jonction conducteurs de l'électricité. Dans le cas d'un cadre destiné à un électrolyseur monopolaire, les deux électrodes sont deux anodes ou deux cathodes; les deux feuilles métalliques peuvent alors être réalisées en un même matériau et la tôle métallique doit être prolongée par une bande métallique s'étendant à l'extérieur du cadre, pour être raccordée à une source de courant électrique. Dans le cas où le cadre est destiné à un électrolyseur du type bipolaire, une électrode est une anode et l'autre électrode est une cathode, la tôle métallique servant alors au transfert du courant électrique de la cathode vers l'anode lorsque l'électrolyseur est en fonctionnement.
  • Dans le châssis selon l'invention, les montants et les longerons du cadre peuvent avoir toute section transversale compatible avec la construction de l'électrolyseur. On préfère leur donner une section transversale polygonale, généralement carrée, rectangulaire ou trapézoïdale.
  • Dans une forme de réalisation avantageuse du châssis selon l'invention, les longerons sont profilés en sorte de former, le long de la feuille, deux canaux longitudinaux qui sont percés d'ouvertures sur leurs parois respectives qui se font face; l'un des canaux est par ailleurs raccordé à un conduit d'admission d'un électrolyte, l'autre canal étant raccordé à un conduit d'évacuation des produits de l'électrolyse. Dans cette forme de réalisation de l'invention, les canaux des longerons servent à distribuer l'électrolyte dans la chambre d'électrolyse délimitée par le cadre et à en évacuer les produits résultant de l'électrolyse.
  • Comme exposé plus haut, le châssis selon l'invention peut être adapté à la construction d'électrolyseurs monopolaires ou d'électrolyseurs bipolaires.
  • L'invention concerne dès lors également des électrolyseurs monopolaires du type filtre-presse et des électrolyseurs bipo­laires du type filtre-presse, formés d'un empilage de châssis conformes à l'invention, lesdits châssis délimitant des chambres d'électrolyse qui contiennent des électrodes. L'invention s'applique tout spécialement à des électrolyseurs de ce type, dans lesquels les chambres d'électrolyse sont séparées par des séparateurs perméables aux ions. Les séparateurs sont des feuilles interposées entre les châssis successifs de l'empilage et réalisées en un matériau susceptible d'être traversé par un courant ionique pendant le fonctionnement de l'électrolyseur. Ils peuvent être indifféremment des diaphragmes perméables aux électrolytes aqueux ou des membranes à perméabilité sélective.
  • Des exemples de diaphragmes utilisables dans les électro­lyseurs selon l'invention sont des diaphragmes en amiante, tels que ceux décrits dans le brevet US-A-1855497 (STUART) et dans les brevets FR-A-2400569, EP-A-1644 et EP-A-18034 (SOLVAY & Cie) et des diaphragmes en polymères organiques, tels que ceux décrits dans les brevets FR-A-2170247 (IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES PLC) et dans les brevets EP-A-7674 et EP-A-37140 (SOLVAY & Cie).
  • On entend, par membranes à perméabilité sélective, des membranes minces, non poreuses, comprenant une matière échangeuse d'ions. Le choix du matériau constituant les membranes et de la matière échangeuse d'ions va dépendre de la nature des électro­lytes soumis à l'électrolyse et des produits que l'on cherche à obtenir. En règle générale, le matériau des membranes est choisi parmi ceux qui sont capables de résister aux conditions thermiques et chimiques régnant normalement dans l'électrolyseur pendant l'électrolyse, la matière échangeuse d'ions étant choisie parmi les matières échangeuses d'anions ou les matières échan­geuses de cations, en fonction des opérations d'électrolyse auxquelles l'électrolyseur est destiné.
  • Par exemple, dans le cas d'électrolyseurs destinés à l'électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium pour la production de chlore, d'hydrogène et de solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium, des membranes qui conviennent bien sont des membranes cationiques en polymère fluoré, de préférence perfluoré, contenant des groupements fonctionnels cationiques dérivés d'acides sulfoniques, d'acides carboxyliques ou d'acides phosphoniques ou des mélanges de tels groupements fonctionnels. Des exemples de membranes de ce type sont celles décrites dans les brevets GB-A-1497748 et GB-A-1497749 (ASAHI KASEI KOGYO K.K.), GB-A-1518387, GB-A-1522877 et US-A-4126588 (ASAHI GLASS COMPANY LTD) et GB-A-1402920 (DIAMOND SHAMROCK CORP.). Des membranes particulièrement adaptées à cette application de la cellule selon l'invention sont celles connues sous les noms "NAFION" (DU PONT DE NEMORS & Co) et "FLEMION" (ASAHI GLASS COMPANY LTD).
  • Les électrolyseurs selon l'invention trouvent une applica­tion spécialement avantageuse pour la production de chlore et de solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium par électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium.
  • Des particularités et détails de l'invention vont ressortir de la description qui suit, en référence aux dessins annexés.
    • La figure 1 est une vue en élévation, avec arrachement partiel, d'une forme de réalisation du châssis selon l'invention;
    • La figure 2 est une vue en plan, avec arrachement partiel, du châssis de la figure 1;
    • La figure 3 est une coupe verticale selon le plan III-III des figures 1 ou 2;
    • La figure 4 montre une variante de réalisation d'un détail de la figure 3;
    • La figure 5 est une vue en plan analogue à la figure 2, avec arrachement partiel, d'une autre forme de réalisation du châssis selon l'invention;
    • La figure 6 est une coupe selon le plan VI-VI de la figure 5;
    • La figure 7 montre, en section transversale, verticale, un électrolyseur monopolaire du type filtre-presse, conforme à l'invention;
    • La figure 8 montre, en section transversale, verticale, un électrolyseur bipolaire du type filtre-presse, conforme à l'invention.
  • Dans ces figures, des mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
  • Dans la description qui suit, l'invention est spécifiquement appliquée aux électrolyseurs du type filtre-presse à membranes cationiques, pour la production de chlore et de solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium par électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium.
  • Le châssis conforme à l'invention, représenté aux figures 1 à 3, est conçu pour former deux chambres anodiques jumelées d'un électrolyseur monopolaire. Il comprend une tôle verticale 1 en cuivre et deux cadres périphériques disposés respectivement de part et d'autre de la tôle 1. Les cadres présentent une section transversale rectangulaire. Ils comprennent chacun deux montants verticaux 2 et 3 en cuivre ou en acier, soudés à la tôle 1 et deux longerons 4 et 5 en titane. La tôle est chemisée dans deux feuilles en titane 6 pliées en forme de Ω, de manière qu'elles soient appliquées sur la tôle 1 sous les longerons 4 et 5 et chevauchent les montants 2 et 3. Les feuilles en titane 6 sont soudées aux longerons 4 et 5 au moyen de cordons de soudure continus, de manière à former un assemblage étanche. Deux anodes verticales 7 (visibles aux figures 1 et 3) sont disposées respec­tivement à l'intérieur des cadres. Chacune d'elles est constituée d'une plaque verticale ajourée en titane, portant un revêtement conducteur à faible surtension pour l'oxydation électrochimique des ions chlorure. De tels revêtements sont bien connus dans la technique de l'électrolyse. Chaque plaque 7 est fixée à la feuille 6 au moyen de profilés verticaux en titane 8. La tôle 1 est prolongée à l'extérieur des cadres sous la forme d'une bande marginale 9 destinée à être raccordée à la borne positive d'une source de courant continu. La liaison électrique entre la source de courant (non représentée) et les plaques anodiques 7 se fait via la bande marginale 9, la tôle 1, les feuilles en titane 6 et les profilés 8. La liaison électrique entre la tôle 1 et les feuilles 6 peut être obtenue sous l'action de la pression hydro­statique de l'électrolyte pendant le fonctionnement de l'électro­lyseur; en variante, on peut prévoir des points de soudure des feuilles 6 à la tôle 1, sous les profilés 8.
  • Les longerons tubulaires 4 et 5 sont des tubes de section rectangulaire délimitant ainsi quatre canaux longitudinaux 23. Leurs extrémités sont soudées hermétiquement aux feuilles 6. Ils sont par ailleurs percés d'ouvertures 10 régulièrement réparties sur leurs parois qui se font face. Les longerons tubulaires inférieurs 5 sont munis d'une tubulure 11 pour l'admission dans leurs canaux respectifs 23, d'une solution aqueuse de chlorure de sodium à électrolyser; de manière similaire, les longerons supérieurs 4 sont munis d'une tubulure 12 pour l'évacuation des produits de l'électrolyse, en l'occurrence du chlore et une solution diluée de chlorure de sodium.
  • Dans la variante d'exécution représentée à la figure 4, les longerons 4 et 5 sont formés chacun d'une plaque en titane pliée en U et soudée à la feuille en titane 6 de manière à délimiter le canal 23.
  • Dans le cas d'un châssis destiné à former deux chambres cathodiques jumelées de l'électrolyseur, les longerons horizon­taux 4 et 5, les feuilles 6, les profilés 8 et les plaques 7 (formant des cathodes) sont en nickel. Les plaques en nickel 7 peuvent avantageusement porter un revêtement conducteur à faible surtension de réduction électrochimique des protons; de tels revêtements sont bien connus dans la technique de l'électrolyse.
  • Le châssis conforme à l'invention, représenté aux figures 5 et 6, est conçu pour former deux chambres jumelées, respective­ment anodique 13 et cathodique 14, d'un électrolyseur bipolaire. A cet effet, il présente la même configuration spatiale que le châssis des figures 1 à 3 et il comprend également une tôle verticale 1 en cuivre et, sur chaque face de celle-ci, deux montants verticaux 2 et 3 en cuivre ou en acier, soudés à la tôle 1. La chambre anodique 13 est agencée comme chacune des chambres anodiques jumelées du châssis des figures 1 à 3. Elle comprend une feuille en titane 6 recouvrant la tôle 1 et les deux montants 2 et 3, deux longerons en titane 4 et 5 percés d'une rangée d'ouvertures sur leurs parois qui se font face, en regard de la feuille en titane 6 et une anode en titane (portant un revêtement actif pour l'oxydation électrochimique des ions chlorure) fixée à la feuille 6 par des profilés en titane 8. Dans la chambre cathodique 14, la tôle 1 et les deux montants verticaux 2 et 3 sont recouverts d'une feuille en nickel 6′. Les deux longerons tubulaires 4′ et 5′ (percés d'une rangée d'ouvertures 10′ dans leurs parois se faisant face), la plaque 7′ et les profilés 8′ sont en nickel. La plaque cathodique en nickel 7′ est de préférence pourvue d'un revêtement actif pour la réduction électrochimique des protons. La tubulure 11′ sert à l'admission d'eau ou d'une solution aqueuse diluée d'hydroxyde de sodium dans le canal 23′ défini par le longeron inférieur 5′ et la tubulure 12′ sert à l'évacuation des produits de l'électrolyse (en l'occurrence de l'hydrogène et une solution aqueuse concentrée d'hydroxyde de sodium) hors du canal 23′ défini dans le longeron tubulaire supérieur 4′.
  • L'électrolyseur représenté à la figure 7 est du type mono­polaire. Il est formé d'un empilage de châssis verticaux, alternativement anodiques 15 et cathodiques 15′. Les châssis anodiques 15 sont analogues à ceux décrits plus haut, en référence aux figures 1 à 3. Les châssis cathodiques 15′ sont analogues aux châssis anodiques 15, dans lesquels les éléments constitutifs en titane ont été remplacés par des éléments similaires en nickel. Ces éléments en nickel des châssis 15′ portent les mêmes numéros de référence que leurs homologues respectifs des châssis 15, mais sont affectés d'un indice prime (′). A chaque extrémité, l'électrolyseur est terminé par un demi-châssis cathodique 15′. Les châssis 15 et 15′ sont séparés par des membranes cationiques 16, qui délimitent ainsi des chambres d'électrolyse alternativement anodiques et cathodiques. L'empilage des châssis 15 et 15′ et des membranes 16 est retenu entre des flasques d'extrémités 17 et 18, reliés par des tirants non représentés. Des feuilles 24 en un matériau non conducteur de l'électricité assurent l'isolation électrique entre les flasques 17 et 18 et les demi-châssis d'extrémité 15′ de l'électrolyseur. Les bandes marginales 9 (figure 2) des tôles 1 des châssis anodiques 15 sont raccordées à une barre omnibus commune, reliée à la borne positive d'une source de courant continu, les bandes marginales 9, la barre omnibus et la source de courant n'étant pas visible à la figure 7. D'une manière similaire, les bandes marginales des tôles 1 des châssis cathodiques 15′ sont raccordées à une barre omnibus commune, reliée à la borne négative de la source de courant continu. Par ailleurs, les tubulures 11 et 12 des châssis anodiques 15 débouchent respectivement dans un collecteur commun 19 d'admission d'une solution aqueuse de chlorure de sodium et dans un collecteur 20 servant à l'évacua­tion d'une émulsion de chlore dans une solution aqueuse diluée de chlorure de sodium. Par analogie, les tubulures 11′ et 12′ des châssis cathodiques 15′ débouchent respectivement dans deux collecteurs généraux 19′ et 20′, le collecteur 19′ servant à l'admission d'eau ou d'une solution diluée d'hydroxyde de sodium dans les chambres cathodiques et le collecteur 20′ servant à l'évacuation de l'hydrogène produit au cours de l'électrolyse et d'une solution concentrée d'hydroxyde de sodium.
  • L'électrolyseur représenté à la figure 8 est du type bipolaire. Il est formé d'un empilage de châssis conformes à celui représenté aux figures 5 et 6 et de membranes cationiques 16, de manière à délimiter des chambres d'électrolyse alternati­vement anodiques 13 et cathodiques 14. A ses extrémités, l'élec­trolyseur est terminé par deux demi-châssis, respectivement anodique 21 et cathodique 22. La tôle 1 du demi-châssis anodique 21 est raccordée à la borne positive d'une source de courant continu, non représentée et la tôle 1 du demi-châssis cathodique 22 est raccordée à la borne négative de la source de courant.

Claims (10)

1 - Châssis pour un électrolyseur du type filtre-presse comprenant une tôle métallique, verticale (1), chemisée d'une feuille métallique (6) et un cadre périphérique formé de deux montants verticaux (2, 3) et de deux longerons horizontaux (4, 5), caractérisé en ce que les deux montants (2, 3) sont solida­risés à la tôle (1) et sont recouverts de la feuille métallique (6), et en ce que les deux longerons (4, 5) sont réalisés dans le même matériau que la feuille (6), sont insérés entre les montants (2, 3) et sont solidarisés à la feuille (6).
2 - Châssis selon la revendication 1, caractérisé en ce que les longerons (2, 3) sont profilés en sorte de former, le long de la feuille (6) des canaux longitudinaux (23) qui sont percés d'ouvertures (10) sur leurs parois respectives qui se font face, les canaux (23) étant en communication avec des conduits (11, 12) pour l'admission et pour l'évacuation d'un électrolyte.
3- Châssis selon la revendication 2, caractérisé en ce que les longerons (2, 3) sont des plaques pliées en U et soudées à la feuille (6) pour former avec celle-ci les canaux (23).
4 - Châssis selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les montants (2, 3) et les longerons (4, 5) ont une section transversale carrée, rectangulaire ou trapézoïdale.
5 - Châssis selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la tôle métallique (1) est en un matériau sélectionné parmi l'acier, le cuivre et l'aluminium, et la feuille métallique (6) est en un matériau sélectionné parmi le titane et le nickel.
6 - Châssis selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, une feuille métal­lique (6, 6′) et un cadre périphérique sur chaque face de la tôle (1) et, d'autre part, deux électrodes verticales (7, 7′) disposées respectivement de part et d'autre de la tôle (1) et reliées respectivement aux feuilles (6, 6′) par des éléments de jonction (8, 8′) conducteurs de l'électricité.
7 - Châssis selon la revendication 6, caractérisé en ce que la tôle (1) est prolongée à l'extérieur du cadre par une bande métallique (9) formant un conducteur de jonction à une source de courant.
8 - Electrolyseur du type monopolaire, filtre-presse, comprenant un empilage de châssis délimitant des chambres d'élec­trolyse contenant des électrodes verticales, caractérisé en ce qu'il comprend des châssis (15, 15′) conformes à la revendication 7.
9 - Electrolyseur du type bipolaire, filtre-presse, comprenant un empilage de châssis délimitant des chambres d'élec­trolyse contenant des électrodes verticales, caractérisé en ce qu'il comprend des châssis conformes à la revendication 6.
10 - Electrolyseur selon la revendication 8 ou 9, caracté­risé en ce qu'il comprend des membranes (16) à perméabilité sélective, alternant avec les châssis.
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