FR2925531A1 - Dispositif de support pour electrodes dans une installation d'electrolyses - Google Patents

Dispositif de support pour electrodes dans une installation d'electrolyses Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (10) de support pour électrodes dans une installation d'électrolyse, ledit support comprenant une barre omnibus (11) sur laquelle des électrodes (12, 13) sont fixées, lesdites électrodes étant disposées de chaque côté de la barre omnibus (11) et s'étendant verticalement en dessous de ladite barre, la barre omnibus (11) et lesdites électrodes (12, 13) étant destinées à être au moins partiellement immergées dans un électrolyte dégageant une ou plusieurs espèces gazeuses de nature corrosive. Le dispositif (10) comprend en outre un élément de protection (14) en matériau carbone/carbone disposé sous la barre omnibus (11), l'élément de protection ayant une longueur et une largeur au moins égales à celles de la barre omnibus (11).

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine des installations ou cellules d'électrolyse. La figure 1 illustre schématiquement une installation d'électrolyse 100 utilisée pour la production de fluor.
L'installation 100 est composée d'une cuve 101 contenant un électrolyte 102, par exemple une solution d'acide fluorhydrique (HF), et dans lequel sont plongées deux séries d'électrodes, à savoir une première série de cathodes 103 et une seconde série d'anodes 104. Les anodes 104 sont fixées et connectées électriquement de chaque côté d'une barre omnibus 105 (ou "bus-bar"). La barre omnibus 105 sert à la fois de support et de distributeur de courant d'électrolyse pour les anodes 104. De façon bien connue, la barre omnibus 105 est reliée à la borne positive d'un générateur de courant continu (non représenté sur la figure) par des conducteurs 106 disposées dans des tiges filetées 107 tandis que les cathodes 103 sont reliées à la borne négative du générateur. Les anodes 104 sont réparties longitudinalement de chaque côté de la barre omnibus 105 et s'étendent au-delà de la face inférieure 105a de la barre omnibus. La figure 2 représente l'installation d'électrolyse 100 lors de son fonctionnement, c'est-à-dire lorsque les électrodes 103, 104 sont plongées dans l'électrolyte et alimentées par le générateur de courant continu. Dans le cas, par exemple, d'un électrolyte composé d'acide fluorhydrique, l'électrolyse entraîne un dégagement de bulles de fluor gazeux 108 au niveau des anodes 104 et un dégagement de bulles d'hydrogène 109 au niveau des cathodes 103. Les bulles de ces deux espèces gazeuses remontent à la surface de l'électrolyte et sont collectées par des conduits indépendants (non représentés sur la figure) au niveau de la partie supérieure de l'installation d'électrolyse 100. Les bulles de fluor gazeux 108 provoquent la corrosion ainsi que l'érosion des éléments de l'installation avec lesquelles elles sont en contact lors de l'électrolyse. En effet, par leur nature chimique, les bulles 108 sont très corrosives et leur remontée vers la surface de l'électrolyte entraîne un phénomène d'érosion sur les anodes 104 et plus particulièrement sur la barre omnibus 105 dont la face inférieure 105a reçoit quasiment toutes les bulles de fluor dégagées sur les parois intérieures des anodes 104, ces bulles circulant ensuite le long de la face inférieure 105a jusqu'à trouver un chemin vers la surface de l'électrolyte 102. Par conséquent, dans toute installation d'électrolyse qui produit une ou plusieurs espèces gazeuses corrosives, la corrosion et l'érosion provoquées par les dégagements gazeux nécessitent de remplacer fréquemment la barre omnibus et les anodes. Pour pallier ce problème, une solution consiste à réaliser la barre omnibus ainsi qu'éventuellement les anodes avec du graphite qui est un matériau connu pour présenter un bonne résistance à la corrosion. Cependant, même si le graphite a montré une résistance accrue vis-à-vis du phénomène conjugué de corrosion-érosion par rapport aux matériaux métalliques habituellement utilisés, celui-ci ne permet pas d'empêcher la détérioration des anodes et surtout de la barre omnibus au cours des électrolyses. Aussi, même réalisées en graphite, les barres omnibus doivent être remplacées fréquemment. A chaque remplacement, l'installation d'électrolyse et, par conséquent, la production d'espèce gazeuse, doivent être stoppées. L'usure des barres omnibus par le phénomène de corrosion-érosion entraîne donc des périodes d'immobilisation de l'installation d'électrolyse qu'il est souhaitable de réduire pour améliorer le rendement de l'installation.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a pour but de proposer une solution de conception qui permet de protéger une barre omnibus d'une installation d'électrolyse contre le phénomène de corrosion-érosion provoqué par le dégagement d'espèces gazeuses lors de l'électrolyse et d'augmenter ainsi sa durée de vie. A cet effet, la présente invention concerne un dispositif de support pour électrodes dans une installation d'électrolyse, le support comprenant une barre omnibus sur laquelle des électrodes sont fixées, les électrodes étant disposées de chaque côté de la barre omnibus et s'étendant verticalement en dessous de ladite barre, la barre omnibus et lesdites électrodes étant destinées à être au moins partiellement immergées dans un électrolyte dégageant une ou plusieurs espèces gazeuses de nature corrosive, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre un élément de protection disposé sous la barre omnibus et ayant une longueur et une largeur au moins égales à celles de la barre omnibus et en ce que ledit élément de protection est en matériau carbone/carbone.
Ainsi, en disposant un élément en carbone/carbone sous la barre omnibus, on protége cette dernière contre les bulles d'espèce corrosive dégagées par les électrodes lors de l'électrolyse. En effet, puisque l'élément de protection couvre au moins la face inférieure de la barre omnibus, il empêche les bulles d'espèces corrosives remontant vers la surface de l'électrolyte de venir frapper la barre omnibus et protège ainsi cette dernière de l'usure due au phénomène de corrosion-érosion décrit précédemment. La durée de vie de la barre omnibus est ainsi considérablement augmentée. L'élément de protection est en outre réalisé en carbone/carbone qui est un matériau particulièrement résistant vis-à-vis du phénomène de corrosion-érosion. Aussi, en présence de dégagements gazeux corrosifs, l'ensemble formé par la barre omnibus et l'élément de protection résiste bien plus longtemps au phénomène de corrosion-érosion qu'une barre omnibus seule, et ce même si celle-ci est réalisée en graphite. Par conséquent, avec le dispositif de support pour électrode de l'invention, on réduit significativement la fréquence des arrêts des installations d'électrolyse habituellement nécessaires pour remplacer les barres omnibus usées. L'élément de protection peut être maintenu dans des rainures 30 ménagées dans les électrodes ou fixé à la barre omnibus par des organes de fixation. Selon un aspect de l'invention, la face de l'élément de protection opposée à celle en regard de la barre omnibus présente un profil concave. Ce profil permet de canaliser les bulles d'espèce gazeuse corrosive 35 dégagées par les électrodes et de les guider vers les extrémités longitudinales de l'élément de protection. La face concave peut en outre comporter une légère pente inclinée vers une des extrémités longitudinales de l'élément de protection pour guider les bulles vers cette extrémité. Selon un autre aspect de l'invention, l'élément de protection comprend sur ses deux bords longitudinaux des ailettes qui s'étendent au dessus de la face dudit élément en regard de la barre omnibus. Les ailettes présentent une largeur correspondant sensiblement à l'espace ménagé entre deux électrodes adjacentes et sont espacées les unes des autres d'une distance correspondant sensiblement à la largeur des électrodes. Avec ces ailettes, l'élément de protection protège en outre les flancs de la barre omnibus exposés entre deux électrodes. L'élément de protection peut être réalisé en une seule pièce (structure monobloc) ou en plusieurs secteurs adjacents assemblés via des portions de recouvrement.
La présente invention concerne en outre une installation d'électrolyse comprenant au moins un dispositif de support pour électrodes tel que décrit précédemment.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique éclatée d'une installation d'électrolyse ; - la figure 2 est une vue en coupe de l'installation d'électrolyse de la figure 1 assemblée et en fonctionnement ; - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un dispositif de support pour électrodes seion un mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 est vue en coupe du dispositif de support pour électrodes de la figure 3 lorsque des bulles d'espèces corrosives se 35 dégagent des électrodes ; - la figure 5 est une vue schématique partielle en perspective d'un dispositif de support pour électrodes selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue schématique en perspective d'un 5 dispositif de support pour électrodes selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 est vue en coupe du dispositif de support pour électrodes de la figure 6 lorsque des bulles d'espèces corrosives se dégagent des électrodes 10 - les figures 8 et 9 sont des vues schématiques en perspective d'un dispositif de support pour électrodes selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 10 est une variante de réalisation du dispositif de support pour électrodes de la figure 3. 15
Description détaillée d'un mode de réalisation
Un domaine particulier mais non exclusif d'application de 20 l'invention est celui des installations d'électrolyse destinées à la production d'espèces gazeuses de nature corrosives telles que le fluor ou le chlore par exemple. La présente invention propose de protéger les barres omnibus utilisées comme porte-électrodes dans de telles installations contre le phénomène de corrosion-érosion précédemment décrit lorsqu'une espèce 25 gazeuse corrosive se dégage des électrodes. A cet effet, la présente invention propose d'utiliser un élément de protection en carbone/carbone qui permet d'isoler la barre omnibus des dégagements gazeux corrosifs lors de l'électrolyse. Des modes de réalisation de dispositifs de support pour électrodes utilisant un tel élément de protection vont maintenant être 30 décrits. Chaque élément de support présenté ci-après est réalisé en matériau composite carbone/carbone (C/C) qui, de façon connue est un matériau formé d'un renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en carbone. Le matériau composite C/C présente une très bonne 35 résistance à la corrosion ainsi qu'à l'érosion.
La fabrication de pièces en matériau composite C/C est bien connue. Elle comprend généralement la réalisation d'une préforme fibreuse carbone dont la forme est voisine de celle de la pièce à fabriquer et la densification de la préforme par la matrice.
La préforme fibreuse constitue le renfort de la pièce dont le rôle est essentiel vis-à-vis des propriétés mécaniques. La préforme est obtenue à partir de textures fibreuses : fils, câbles, tresses, tissus, feutres... La mise en forme est réalisée par bobinage, tissage, empilage, et éventuellement aiguilletage de strates bidimensionnelles de tissu ou de nappes de câbles... La densification du renfort fibreux peut être réalisée par voie liquide (imprégnation par une résine précurseur de la matrice carbone et transformation par réticulation et pyrolyse, le processus pouvant être répété) ou par voie gazeuse (infiltration chimique en phase vapeur de la matrice carbone). La figure 3 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif de support 10 conformément à l'invention. Le dispositif de support 10 comprend une barre omnibus 11 (encore appelée "barre de bus" ou "bus-bar") de forme parallélépipédique qui présente une face supérieure 11a, une face inférieure llb et deux faces latérales 11c et 11d. Dans l'exemple décrit ici, la barre omnibus 11 est réalisée en cuivre. Toutefois, cette dernière peut être constituée par d'autres matériaux conducteurs tels que du graphite. Une première série d'électrodes 12 et une seconde série d'électrodes 13 sont respectivement fixées sur les faces latérales 11c et 11d de la barre omnibus 11. Les électrodes 12, respectivement 13, sont réparties uniformément le long de la barre omnibus 11 avec un espace entre deux électrodes adjacentes. Les électrodes 12 et 13 sont réalisées en graphite. Chaque électrode est constituée d'une plaque rectangulaire qui s'étend sous la face inférieure 11d de la barre omnibus 11. Les électrodes 12 et 13 sont connectées électriquement à la barre omnibus 11 qui est destinée à alimenter les électrodes en courant pour l'électrolyse. A cet effet, les électrodes peuvent être fixées à la barre omnibus par des moyens de liaison assurant une conduction électrique. Les électrodes peuvent être notamment fixées sur la barre omnibus par brasage ou par collage conducteur. La barre omnibus assure, par conséquent, à la fois la fonction de porte-électrodes et la fonction de distribution du courant d'électrolyse à ces électrodes. Conformément à la présente invention, le dispositif de support comprend un élément de protection 14 constitué d'une plaque réalisée en matériau composite C/C. L'élément de protection 14 est disposé sous la barre omnibus 11 au voisinage de sa face inférieure llb. Plus précisément, l'élément de protection 14 est mis en place par glissement dans des rainures 12A et 13A ménagées respectivement dans les électrodes 12 et 13. Grâce à ces rainures, l'élément de protection peut être maintenu en position à une distance déterminée sous la barre omnibus. On conserve de préférence un jeu entre l'élément de protection et la barre omnibus afin de permettre la compensation des dilatations différentielles entre le matériau de la barre omnibus (cuivre ou autre matériau métallique) et le matériau de l'élément de protection (composite C/C). L'élément de protection 14 présente une longueur et une largeur légèrement supérieures à celles de la barre omnibus 11. Par conséquent, l'élément de protection forme un écran devant toute la face inférieure llb de la barre et protège celle-ci contre le phénomène de corrosion-érosion lorsqu'une espèce gazeuse corrosive se dégage des électrodes. En effet, comme illustré sur la figure 4, lors de l'électrolyse, c'est-à-dire lorsque les électrodes 12 et 13 sont immergées dans un électrolyte 16 et alimentées avec un courant d'électrolyse, les bulles d'espèce corrosive 15 qui se dégagent sur les parties intérieures des électrodes sont stoppées dans leur remontée par l'élément de protection 14 qui forme un écran devant la face inférieure 11b de la barre omnibus. Les bulles 15 sont ensuite évacuées vers la surface de l'électrolyte en passant par les bords de l'élément de protection 14. Ainsi, avec l'élément de protection 14, les bulles d'espèce corrosive dégagées ne viennent plus frapper la face inférieure de la barre omnibus, ce qui réduit considérablement l'influence du phénomène de corrosion-érosion sur cette dernière. La figure 5 montre une variante de réalisation d'un dispositif support 20 selon l'invention qui diffère de celui décrit précédemment en ce qu'il comprend un élément de protection 24 qui est maintenu en position sous une barre omnibus 21 et entre des électrodes 22 et 23 par des vis 25. L'élément de protection comporte des trous oblongs 24A pour permettre le passage des vis 25 et l'ajustement en position de l'élément, les vis étant serrées dans des filetages 21A ménagés dans la barre omnibus 21. La face de l'élément de protection destinée à recevoir les bulles d'espèce gazeuse corrosive dégagées par les électrode peut présenter une surface plane comme illustrée sur les figures 3 à 5. Toutefois, comme représenté sur la figure 6, l'élément de protection peut également comporter une face inférieure qui présente une surface en creux. Plus précisément, la figure 6 représente un dispositif de support 30 qui comprend, comme pour le dispositif de la figure 3, un élément de protection 34 maintenu sous une barre omnibus 31 par des rainures 32A et 33A ménagées respectivement dans des électrodes 32 et 33 mais dont la face inférieure 34A présente un profil concave. Telle que représentée sur la figure 7, la forme en creux de la face inférieure 34A de l'élément de protection permet de canaliser les bulles d'espèce gazeuse corrosive 35 dégagées par les électrodes 32 et de guider celles-ci vers les extrémités longitudinales de l'élément de protection 34. On réduit ainsi la quantité de bulles 35 qui s'échappent par les espaces ménagés entre les électrodes 32 ou 33, ce qui permet de mieux protéger les flancs de la barre omnibus exposés dans ces espaces. La surface en creux de la face inférieure de l'élément de protection peut en outre avoir une légère pente pour mieux guider les bulles vers une extrémité longitudinale de l'élément de protection. Les figures 8 et 9 montrent, respectivement avant et après assemblage de l'élément de protection, un autre mode de réalisation d'un dispositif de support de l'invention. Le dispositif de support 40 représenté sur ces figures diffère de ceux décrits précédemment en ce que l'élément de protection 44 est en outre muni d'ailettes de protection latérale 45. L'emplacement et la largeur des ailettes 45 sont choisies pour combler les espaces libres ménagés entre les électrodes 42, d'une part, et les électrodes 43 d'autre part. L'élément de protection 44 peut être fixé sur la barre omnibus 41 par collage ou par des organes de fixation de type visserie. Une fois l'élément de support 44 assemblé sous la barre omnibus 41, les ailettes 45 recouvrent les flancs de la barre omnibus exposés entre les électrodes, les protégeant ainsi contre les bulles d'espèces corrosives qui s'échappent entre deux électrodes. L'élément de protection 44 représenté sur les figures 8 et 9 comporte une face inférieure 44A qui présente un profil concave permettant de canaliser les bulles dégagées par les électrodes vers les extrémités longitudinales de l'élément de protection. Toutefois, l'élément de protection 44 peut également comporter une face inférieure plane. Les éléments de protection de l'invention présentés précédemment peuvent être réalisés en une seule pièce de matériau composite carbone/carbone. Toutefois, dans le cas notamment de la réalisation d'un élément de protection de grande taille, ce dernier peut être constitué d'un assemblage d'une pluralité de secteurs chacun réalisés individuellement en matériau composite carbone/carbone. La figure 10 montre un exemple de réalisation d'un élément de protection 140 similaire à l'élément de protection 14 de la figure 3 mais qui diffère de celui-ci en ce qu'il est formé par l'assemblage de plusieurs secteurs 141. Les secteurs sont de préférence réalisés avec une (pour les secteurs d'extrémité) ou deux (pour les secteurs intermédiaires) portions de recouvrement 141a, 141b permettant l'assemblage, par exemple par brasage, entre les secteurs.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Dispositif (10) de support pour électrodes dans une installation d'électrolyse, ledit support comprenant une barre omnibus (11) sur laquelle des électrodes (12, 13) sont fixées, lesdites électrodes étant disposées de chaque côté de la barre omnibus (11) et s'étendant verticalement en dessous de ladite barre, la barre omnibus (11) et lesdites électrodes (12, 13) étant destinées à être au moins partiellement immergées dans un électrolyte dégageant une ou plusieurs espèces gazeuses de nature corrosive, caractérisé en ce que le dispositif (10) comprend en outre un élément de protection (14) disposé sous la barre omnibus (11), ledit élément de protection ayant une longueur et une largeur au moins égales à celles de la barre omnibus (11) et en ce que ledit élément de protection (14) est en matériau carbone/carbone.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de protection (14) est maintenu dans des rainures (12a, 13a) ménagées dans les électrodes (12, 13).
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de protection (24) est fixé à la barre omnibus (21) par des organes de fixation (25). 25
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la face (34A) de l'élément de protection (34) opposée à celle en regard de la barre omnibus (31) présente un profil concave. 30
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite face (34A) de l'élément de protection (34) opposée à celle en regard de la barre omnibus (31) présente en outre une pente inclinée vers une des extrémité longitudinale de l'élément de protection.20
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de protection (44) comprend sur ses deux bords longitudinaux des ailettes (45) qui s'étendent au dessus de la face dudit élément en regard de la barre omnibus (41) et qui présentent une largeur correspondant sensiblement à l'espace présent entre deux électrodes adjacentes.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément de protection présente une structure 10 monobloc.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément de protection comprend plusieurs secteurs adjacents assemblés via des portions de recouvrement.
9. Installation d'électrolyse comprenant au moins un dispositif de support pour électrodes selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 15
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