Modélisation du fonctionnement d'un électrolyseur à membranes, à l'aide du logiciel Flux-Expert®

par Philippe Moçotéguy

Thèse de doctorat en Chimie appliqué et génie des procédés

Sous la direction de Gérard Durand.

Soutenue en 1997

à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris , en partenariat avec Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) .

mots clés

• Électrolyseurs
• Simulation par ordinateur
• Membranes échangeuses d'ions
• Effluents gazeux

Résumé

Les distributions du courant et du potentiel dans une cellule d'électrolyse à membrane sont perturbées par le dégagement gazeux aux électrodes. Il est intéressant de connaitre ces distributions, car elles influent sur la durée de vie des membranes et des électrodes. Nous nous sommes intéressés à une cellule à deux compartiments, séparés par une membrane échangeuse de cations du pont de Nemours Nafion 350. L'anolyte est un mélange d'acide sulfurique et de sulfate de sodium et le catholyte est composé de soude. Nous avons développé un programme décrivant le bilan-matière de la cellule. Les propriétés de transport des ions et de l'eau dans la membrane ont été mesurées en fonction des conditions opératoires, et nous avons obtenu une corrélation empirique. Notre programme calcule les flux de sortie et le rendement faradique, en régime stationnaire. Nous avons également mesuré les distributions verticales de la densité de courant, à l'aide d'une cathode de 10 segments, en fonction de la densité de courant imposée, de la vitesse de circulation des électrolytes et de leur composition. Pour modéliser la cellule, nous avons mesuré les conductivités des solutions et de la membrane, les sauts de potentiel aux interfaces électrode/solution et le potentiel de membrane. Nous avons résolu, à l'aide du logiciel éléments finis Flux-Expert®, commercialisé par la société Simulog, l'équation électrocinétique, en l'absence de limitation par le transfert de matière. Nous avons tenu compte de l'effet du dégagement gazeux sur la conductivité des électrolytes. Dans la plupart des cas, le modèle prévoit bien la distribution de densité de courant. Cependant, on observe des écarts sur les deux segments inferieurs, vraisemblablement dus à une non-uniformité de la distribution de bulles dans le liquide, à fortes vitesses de circulation et faibles densités de courant imposées.

Titre traduit

Computer simulating of membrane electrolysis process with Flux-Expert® software

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