DE2120888A1 - Aluminium-Elektrolysezelle - Google Patents

Description

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von ■Aluminiumoxid (jJ.^J-,, Tonerde) wird dieses j.n einer Fluo-' ridschmelzο gelöst* Die Elektrolyse erfolgt in einem Temperaturbereich von etwa 9>!0 bis 975° C. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschrnelze auf dem Boden der Zelle«. In die Schmelze tauchen von oben Anoden,aus amorphem Kohlenstoff ein. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des AIuminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO und COg verbindet.

Das Prinzip einer Aluminium-Elektrolysezelle geht aus der Figur 1 hervor, die einen, Schnitt in Längsrichtung zeigt. Die Fluoridschmelze 10 (der Elektrolyt) befindet sich in einer mit Kohlenstoff 11 ausgekleideten Stahlv/anne 12, die mit einer thermischen Isolation Γ3 aus hitzebeständigem Material versehen ist. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium lh liegt auf dorn Boden I^ der Zolle* Die Ober-

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fläche l6 des flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. . In die Kohlenstoffauskleidung 11 sind eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den Strom aus dem Boden der Zelle nach aussen führen. In die Fluoridschniclze 10 tau- 1" chen von oben Anoden l8 aus amorphem Kohlenstoff ein, die den Gleichstrom dem Elektrolyten zuführen, Sie sind über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mitdem Anodenbalken 21 fest-verbunden. Der Elektrolyt 10 K ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüberbefindlichen Tonerdeschicht 23 bedeckt. Der Abstand d der Anodenunterseite 2h zur Alurniniuraoberflache 1δ, auch Interpolardistanz genannt, lässt sich durch Heben oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 25 verändern, die auf Säulen 2o montiert sind. Infolge des Angriffs durch den bei der Elektrolyse in Freiheit gesetzten Sauerstoff verbrauchen sich die Anoden an ihrer Unterseite täglich um ca. 1,5 bis 2 cm je nach Zellentyp.

Die eisernen Kathodenbarren in Kohleboden sind gute Wärmeleiter. Sie führen dementsprechend Wärmemengen aus dem ' Zelleninnern nach aussen ab; diese abgeführten Wärmemengen stellen Verluste dar, die durch Zufuhr von elektrischer En'ergie ausgeglichen werden müssen. Ausserdem entsteht in den Kathodenbarren Joule'sehe Wärme. Diese reduziert denjenigen Wärmefluss, der ohne Entstehung der Joule'sehen Wärme durch

die Beirren nach aussen fHessen würde.

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Fig· 2 deutet schematisch den Querschnitt einer Elektrolyse- »

zelle an.

Die Kathodenbarren 17 haben zwei Aufgaben. Sie sammeln den Strom aus dem aktiven Teil 27 des Kohlebodens unterhalb der Anoden 18 und leiten ihn aus der Zelle heraus, dienen also ausserhalb des aktiven Teils des Kohlebodens als reine Stromleiter. Sie sind dort mit 28 bezeichnet. V/o sie den Strom sammeln und mit 29 bezeichnet sind, erhöht sich die Stromstärke im Kathodenbarren nach aussen. Man ist bestrebt, innerhalb des alitx/sn Teils des Kohlebodens einen grossen Kathcdenbarrenquerschnitt einzubauen, um die Kontaktfläche Eisenbarren-Kohleboden zu erhöhen und damit den Kontaktwider st and- zu verringern.

In der Praxis verwendet man ausserhalb des aktiven Teils des Kohlebodens den gleichen Querschnitt für den Kathoden-Barren wie innerhalb des aktiven Teils. Hierdurch liegt man jedoch in bezug auf die Wärmeverluste durch die Barren ungünstig. Es wird sehr viel Wärme aus dem Zelleninnern abgeleitet.

Ecfindungsgemäss wird nun zur Herabsetzung der V/ärrneVerluste der Querschnitt der eisernen Kathodenbarren ausserhalb des aktiven Teils des Kohlebodens verringert. Hierdurch wird der Wärmefluss aus der Schmelze durch die Barren nach aussen reduziert.

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Allerdings erhöht sich die Erzeugung von Joule'schar Wärme im querschnittsverringerten Teil der Kathodenbarren, da dort die Stromdichte gegenüber derjenigen im aktiven Teil des Kohlebodens erhöht ist. " .

Die Erhöhung der Erzeugung von Joule'scher Wärme setzt der Verjüngung des Kathodenbarrenquerschnitts eine Grenze, da von einem bestimmten Punkt mehr Joule'sehe Wärme entsteht als durch Verringerung der WärmeVerluste infolge Wärmeleitung der Kathodenbarren eingespart werden kann. Diese Grenze lässt sich am besten durch praktische Versuche mit der in Betracht kommenden Aluminiumelektrolysezelle ermitteln. . ■

Bei den wirtschaftlichen Ueberlegungen ist jedoch auch die Materialeinsparung bei den Kathodenbarren zu berücksichtigen.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung bezieht sich auf die optimale Verjüngung der Kathodenbarren ausserhalb des aktiven Teils des Kohlebodens oline Berücksichtigung der Materialeinsparung (Diese spielt im Vergleich zur Energieeinsparung eine untergeordnete Rolle).

Diese optimale Verjüngung (Verhältnis des Querschnitts ausserhalb des aktiven Teils des Kohlebodens zürn Querschnitt innerhalb des aktiven Teils) wird durch die folgende Gleichung beschrieben;

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·' ^l2 ^¹ -<*> . ΙΟ²

Λ (T₁- T₂) ..

Verhältnis des Kathodenbarrenquerschnittes ausserhalb des aktiven Teils des Kohlebodens zum Kathodenbarrenquerschnitt innerhalb des aktiven Teils des Kohlebodens .

Stromstärke im Kathodenbarren (A)

Spezifischer elektrischer Widerstand der·Kathodenbarren bei einer Temperatur, die 1/2 (T₁ +T₂) entspricht (ftm) "

L Länge der Kathodenbarren ausserhalb des aktiven Teils des Kohlebodens (m)

Oi Anteil der Joule'sehen Strornwärme der Kathodenbarren, der nicht nach aussen abfliesst.

"\ ■ Spezifische thermische Leitfähigkeit der Kathodenbarren bei einer Temperatur, die 1/2 (T₁ +T₂) entspricht /kcal\

T₁ Temperatur der Kathodenbarren an der Austrittsstelle der Barren aus dem aktiven Teil des Kohlebodens (°C)

T₂ Temperatur der Kathodenbarren an ihren äusseren

Enden (⁰C) .

ο ·

Aq Querschnitt der Kathodenbarren innerhalb des aktiven

Teils des Kohlebodens (m²)
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, 212088%

Der errechnete äussere Querschnitt darf um 10 % nach oben oder nach unten abweichen. ·

Beispiel:

100 kA-Elektrolysezelle mit 19 eisernen Kathodenbarren (= 38 Kathodenbarrenenden, die nach aussen führen).

I Stromstärke je Kathodenbarrenende ' 2620 A (ξ Spezifischer elektrischer V/iderstand 0,4 . 10~ L länge 0,6m

^(üblicherweise) . 0,2

λ\^ c* st Χ Spezifische thermische Leitfähigkeit 45 ^

Τχ Temperatur der Kathodenbarren an deren Austrittstelle aus dem aktiven Teil des Kohlebodens 700° C

T2 Temperatur der Kathodenbarren am

äusseren Ende 200° C

A_& Querschnitt der Kathodenbarren innerhalb

des aktiven Teils des Kohlebodens 11,0.

Man erhält: V = 50 % (zulässig wären hier V/erte zwischen 45 und-55 #)

Eine Elektrolysezelle der angegebenen Grosse verliert durch die 19 Kathodenbarren mit nicht verjüngtem Querschnitt in 24 h eine Wärmemenge von 400¹OOO bis 5ΟΟΌΟΟ kcal. Durch eine Verjüngung in dem vorgeschlagenen Masse lassen sich 250¹OOO bis 50O¹OOO kcal in 24 h einsparen, was einer Verringerung des spezifischen elektrischen Energieverbrauches bis zu 0,5 kWh/kg Al entspricht.

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■ T . ·■ '

Es kommt hinzu, dass durch die Verringerung der Wärmeabfuhr aus der Kathode der thermische Gradient im Zellenboden verkleinert wird, was sich günstig auf die Haltbarkeit der Kohlenstoff-Wannenauskleidung auswirkt. Es ergeben sich ferner Material- und Gewichtseinsparungen, die pro Zelle eine Tonne und mehr betragen können. .

- Ansprüche -

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Aluminium-Elektrolysezelle mit eisernen Kathodenbarren in der Kohlenstoffauskleidung des Bodens, ge- ^k kennzeichnet durch einen geringeren Querschnitt der Kathodenbarren (1-7) außerhalb des aktiven Teils (27) des Kohlebodens.

2. Aluminium-Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der äußere Querschnitt nach der

Gleichung ' V -\ / ? ^ - ⁰^⁸⁶ - ^ "^rOC) ^ _1Q2 \_%)

Λ (T₁ '') W ~~~

bestimmt ist, wobei der errechnete Querschnitt um 10$ nach oben oder nach unten abv^eichen darf.

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