Mots-clés
Electrolyse, production de fluor, dégazage, bullage, convection, anode, cathode, effet Joule, électrolyte.
Contexte / Objectif
Les procédés d’électrolyse basse et haute température peuvent servir à la production de gaz industriels. Ceux-ci sont formés à la surface des électrodes par décomposition de l’électrolyte, consécutivement au passage à travers la cellule. Cette production s’accompagne de mouvements de convection dus au bullage dans le bain électrolytique et de production de chaleur par effet Joule ou surtension aux électrodes. Une bonne gestion de la cellule d’électrolyse implique donc de maîtriser les aspects électrique, thermique et hydraulique, qui sont fortement couplés. Pour acquérir une connaissance qualitative et quantitative fine du procédé, la modélisation multiphysique de la cellule d’électrolyse est un outil de choix, permettant in fine d’en optimiser son fonctionnement.
Le présent cas d’étude constitue une modélisation sous COMSOL Multiphysics® d’un réacteur de production de fluor muni d’un système de refroidissement. Ce modèle permet de calculer:
-
L’intensité des mouvements de convection
-
La distribution de température dans le bain électrolytique
Modèle 2D du réacteur d’électrolyse du Fluor
Réalisations de SIMTEC / Résultats
La cellule est décrite dans une géométrie bidimensionnelle. Les différents phénomènes physiques sont traités de la manière suivante :
-
Modèle électrique : distribution secondaire, avec cinétiques de réactions de type Butler-Volmer. Les propriétés électriques du système (conductivité de l’électrolyte) sont fonction de la température. La cellule est sollicitée en mode potentiostatique (contrôle du potentiel).
-
Modèle thermique : les sources de chaleur sont l’effet Joule dans l’électrolyte et les électrodes, ainsi que les surtensions d’électrodes. La chaleur est transportée par conduction et, dans l’électrolyte, par convection.
-
Modèle hydrodynamique : dans l’électrolyte, les mouvements de convection sont décrits par l’équation de Navier-Stokes en milieu monophasique. Les vitesses de montée du liquide aux électrodes sont préalablement calculées par un modèle d’écoulement diphasique (liquide + gaz) prenant en compte la poussée d’Archimède.
Le tracé des vitesses de convection locales dans l’électrolyte permet de localiser les endroits où le transport de matière et de chaleur est limité ou au contraire satisfaisant. On remarque que les mouvements sont surtout concentrés autour de l’anode, qui relargue les bulles de gaz.
Le tracé du champ de température montre qu’il y a principalement échauffement entre l’anode et la cathode centrale du dispositif (à gauche dans la géométrie 2D). In fine, ce modèle a permis de prédire la température moyenne de l’électrolyte en fonction du courant appliqué, afin de prévoir la gamme de courant maximale acceptable d’un point de vue thermique.
