Distribution de courant dans une cellule d'électrolyse à membrane utilisée pour la production de chlore et de soude : étude expérimentale et modélisation

Current distribution in a clor-alkali membrane cell : experimental study and modelling

• Auteur / Autrice : Mezhoura Chikhi
• Direction : Mohammed Rakib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Durand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Caire, François Lapicque

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrolyse

Membranes (technologie)

Réacteurs électrochimiques

Résumé

Ce travail est consacré au développement d'un modèle qui décrit la distribution de courant dans une cellule d'électrolyse utilisé pour produire du chlore et de la soude et à la validation expérimentale de ce modèle. La cellule choisie est la FM01-LC de ICI. Une étude de l'écoulement du mélange biphasique dans la cellule durant l'électrolyse a ét entreprise à l'aide d'une fenêtre d'observation aménagée dans la cellule. La présence du promoteur de turbulence homogénéise la répartition des bulles dans le sens transversal à l'écoulemen. Le taux de vide varie, en première approximation, uniquement en fonction de la direction de l'écoulement lorsque la vitesse d'écoulement n'est pas trop faible. La détermination expérimentale de la distribution de courant aux électrodes a été réalisée grâce à la méthode des électrodes segmentées. La fabrication de ces électrodes a été faite suivant deux techniques différentes : découpe par électroérosion et fixation des segments par unz résine époxyde dans le cas de l'anode : technique des circuits imprimés avec électrodépôt de nickel dans le cas de la cathode. Les résultats mettent en évidence que la distribution de courant n'est pas uniforme dans la direction de l'écoulement : à l'entrée, la valeur de la densité de courant est élevée, puis elle diminue progessivement jusqu'à la sortie de la cellule. L'influence du courant imposé, de la vitesse de circulation des électrolytes et du mode de fonctionnement de l'électrolysuer (co- et contre-courant) a également été étudié. La densité de courant réduite (rapport de la densité de ocurant locale et de la densité de courant moyenne) est pratiquement indépendante du courant appliqué mais dépend du mode de fonctionnement et de la vitesse de circulation des électrolytes. Par ailleurs, pour modéliser le système les hypothèses simplificatrices suivantes ont été faites : - il n'y a pas de limitattion par le transfert de matière, - le taux de vide dépend uniquement de la direction de l'écouelemnt, - le facteur de glissement (vitesse du gaz / vitesse du liquide) est égal à 1, - le potentiel de membrane est négligé devant les chutes ohmiques et les surtensions aux électrodes. Le système est décrit par l'équation de Laplace modifié dont la résolution numérique a étéfaite à l'aide du logiciel d'éléments finis Flux-Expert (SIMULOG). Le bon accord des résultats issus du calcul et des résultats expérimentaux montre la validité de la modélisation.