DE60019782T2 - Aluminium elektrogewinnungszelle mit drainierter kathode und verbesserter elektrolytumwälzung - Google Patents

Aluminium elektrogewinnungszelle mit drainierter kathode und verbesserter elektrolytumwälzung Download PDF

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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft Ablaufkathodenzellen zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid des Typs, der eine Reihe von Anoden umfasst, die durch eine geneigte Zwischenelektrodenlücke von einer oder mehreren gegenüberliegenden Kathoden beabstandet sind und so angeordnet sind, dass der Elektrolyt in der geneigten Zwischenelektrodenlücke unterstützt durch anodisch produzierte Gase nach oben zirkuliert. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium in solchen Zellen sowie Kathoden und Anoden, die für solche Zellen vorgesehen sind.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Technologie zur Produktion von Aluminium durch Elektrolyse von in geschmolzenen kryolithhaltigen Salzen gelöstem Aluminiumoxid bei Temperaturen um die 950°C ist mehr als hundert Jahre alt.
  • Dieses Verfahren, das fast gleichzeitig von Hall und Heroult gefunden wurde, hat sich nicht so wie die anderen elektrochemischen Verfahren weiterentwickelt, obwohl sich die Gesamtproduktion von Aluminium in den letzten 50 Jahren um fast das 100-fache phänomenal erhöht hat. Das Verfahren und Zelldesign haben keine große Veränderung oder Verbesserung erfahren, und nach wie vor werden kohlenstoffhaltige oder kohlenstoffartige Materialien als Elektroden und Zellauskleidungen verwendet.
  • US-A-3 400 061 (Lewis/Hildebrandt) und US-A-4 602 990 (Boxall/Gamson/Green/Traugott) offenbart Zellen zur elektri schen Gewinnung von Aluminium mit geneigten Ablaufkathoden und gegenüberliegenden Anoden, die über die Zelle geneigt sind. In diesen Zellen fließt das geschmolzene Aluminium an den geneigten Kathoden in einer mittigen längsgerichteten Rille die Mitte der Zelle entlang, oder in lateralen längsgerichteten Rillen an den Zellseiten entlang, um das geschmolzene Aluminium zu sammeln und in einen Sumpf abzugeben.
  • In US-A-5 362 366 (de Nora/Sekhar) wurde eine doppelpolare Anoden-Kathoden-Anordnung offenbart, wobei Kathodenkörper von den Anoden herabhängen, wodurch Entfernen und Wiedereintauchen des Aufbaus während der Betriebs möglich sind, wobei dieser Aufbau auch mit einer Ablaufkathode arbeitet.
  • US-A-5 368 702 (de Nora) schlägt eine neue multimonopolare Zelle mit sich aufwärts erstreckenden Kathoden vor, die Anoden mit einer relativ großen, nach innen weisenden, aktiven Anodenoberfläche gegenüberliegen und von diesen umgeben sind oder zwischen diesen liegen. In einigen Ausführungsformen wurde Elektrolytzirkulation mit einer Rohranode mit geeigneten Öffnungen erreicht.
  • US-A-5 651 874 (de Nora/Sekhar) schlägt Beschichtungskomponenten mit einer als Aufschlämmung aufgebrachten Beschichtung aus hitzebeständigem Borid vor, die sich als hervorragend für Kathodenanwendungen erwiesen hat. Diese Veröffentlichung offenbart aus Aufschlämmung aufgebrachte Auftragungen und neue Ablaufkathodenkonfigurationen einschließlich Designs, bei denen ein Kathodenkörper mit einer geneigten oberen Ablaufkathodenoberfläche auf dem Zellboden angeordnet oder befestigt ist.
  • US-A-5 683 559 (de Nora) schlägt ein neues Kathodendesign für eine Ablaufkathode vor, wobei Rillen oder Vertiefungen in die Oberfläche von Blöcken eingebaut wurden, die die Kathodenoberfläche bilden, um das abgelaufene Produktaluminium zu kanalisieren.
  • US-A-5 368 702 (de Nora) offenbart eine Ablaufzelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium mit einer konischen plattenartigen Anode und einer konischen Kathode mit parallelen, sich gegenüberliegenden aktiven Oberflächen, die durch geneigte Zwischenelektrodenlücken voneinander beabstandet sind. Die Zwischenräume leiten einen Aufwärtsstrom des Elektrolyten, der außerhalb der Lücken entlang einer geneigten Anodenseite der konischen plattenartigen Anode von einem oberen Bereich zu einem unteren Bereich der Lücken zurückkehrt.
  • Es ist in letzter Zeit möglich geworden, Kohlenstoffkathoden mit einer Aufschlämmung zu beschichten, die an dem Kohlenstoff haftet und aluminiumbenetzbar und sehr hart wird, wenn die Temperatur 700 bis 800°C oder sogar 950 bis 1000°C erreicht, wie bereits gesagt. Obwohl die Aufbringung dieser Beschichtungen auf Ablaufkathodenzellen vorgeschlagen worden ist, ist die Anwendung dieser Technologie im kommerziellen Maßstab auf Kohlenstoffböden von Zellen begrenzt gewesen, die mit den konventionellen tiefen Aluminiumschmelzen betrieben werden. Weitere Designmodifikationen in der Zellkonstruktion können dazu führen, dass mehrere der potentiellen Vorteile dieser Beschichtungen erhalten werden.
  • Obwohl die vorhergehenden Druckschriften fortlaufende Bemühungen zur Verbesserung der Zellbetriebe zeigen, hat keiner die Erfindung vorgeschlagen, und daher hat es keine annehmbaren Vorschläge zur Verbesserung der Zelleffizienz und gleichzeitigen Erleichterung der Implementierung einer Ablaufkathodenkonfiguration mit verbesserter Elektrolytzirkulation gegeben.
  • Gegenstände der Erfindung
  • Ein Gegenstand der Erfindung ist die Überwindung von Problemen, die dem konventionellen Design von Zellen eigen sind, die zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid verwendet werden, das in geschmolzenen, Fluorid enthaltenden Schmelzen gelöst ist, insbesondere Kryolith, indem nämlich eine Ablaufkathodenkonfiguration vorgeschlagen wird, die eine verbesserte Elektrodenanordnung einbezieht.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist das Ermöglichen von effizienterem Zellbetrieb durch Modifizieren des Designs der Ablaufkathode(n) und/oder der Anoden, um die Elektrolytzirkulation zu verbessern.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Anordnung, bei der Gasfreisetzung an einer geneigten Anodenoberfläche verwendet wird, um Elektrolytzirkulation herbeizuführen, die wiederum durch ein neues Kathoden- und/oder Anodendesign erleichtert wird.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer Zelle mit einer Kathode aus neuem Design, die den Betrieb der Ablaufkathode ermöglicht, wobei effektive Elektrolytzirkulation mit leichter Entfernung der anodisch produzierten Gase und mit dem leichten Auffangen des Produktaluminiums kombiniert ist.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Erhöhung der Effizienz der Elektrolyse, indem Aluminiumoxid einem zirkulierenden Elektrolyten zugeführt wird, um die Verarmung während der Elektrolyse zu kompensieren, wobei diese Elektrolytzirkulation mittels einer neuen Elektrodenkonfiguration produziert wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Hauptaspekt der Erfindung betrifft eine Ablaufkathodenzelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium aus in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid. Die Zelle umfasst eine oder mehrere Anoden und eine oder mehrere Kathoden. Die oder jede Anode beziehungsweise Kathode hat bzw. haben eine geneigte V-förmige aktive Anodenoberfläche und eine parallele, geneigte, umgekehrt V-förmige Kathodenabflussoberfläche, die sich gegenüber liegen und voneinander durch zwei geneigte Zwischenelektrodenlücken beabstandet sind, die so angeordnet sind, dass Elektrolyt in den geneigten Zwischenelektrodenlücken unterstützt durch anodisch produziertes Gas aufwärts zirkuliert und dann von einem oberen Bereich zu einem unteren Bereich jeder Zwischenelektrodenlücke entlang eines Elektrolytweges zurückkehrt. Jeder Elektrolytweg erstreckt sich wie folgt durch vertikale und horizontale Durchgänge: bei der Kathode ein vertikaler Durchgang von einem oberen zu einem unteren Teil einer Kathode und dann ein horizontaler Durchgang in oder unter dem unteren Teil der Kathode; und/oder bei der Anode ein horizontaler Durchgang in oder auf einem oberen Teil einer Anode und dann ein vertikaler Durchgang, der sich von dem oberen zu dem unteren Teil der Anode erstreckt. Jeder horizontale Durchgang erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte horizontale Länge einer entsprechenden Zwischenelektrodenlücke.
  • In diesem Kontext bedeutet "V-förmige Oberfläche" eine Oberfläche mit einem senkrechten Querschnitt, die streng genommen oder allgemein ein V bildet, insbesondere ein abgeflachtes oder abgestumpftes V. Eine derartige Oberfläche kann allgemein konisch, kegelstumpfförmig oder biplanar sein.
  • Die erfindungsgemäße Ablaufkathodenzelle und das entsprechende Verfahren zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium hat zahlreiche Vorteile, zu denen die folgenden gehören:
    • a) Die anodisch produzierten Gase werden wegen der Neigung der anodisch aktiven Oberflächen rasch entfernt.
    • b) Die Zelle kann mit hoher Stromdichte betrieben werden, die eine ausreichende aufwärtsgerichtete Entfernung von an odisch produziertem Gas liefert, um eine entsprechend nach oben gerichtete Zirkulation des Elektrolyten in der Anoden-Kathoden-Lücke zu produzieren.
    • c) die Neigung der kathodischen Oberflächen reicht aus, um trotz der Gegenströmung des Elektrolyten, der durch die Gasfreisetzung nach oben mitgerissen wird, effektives Ablaufen des Produktaluminiums zu ermöglichen.
    • d) Der allgemein horizontale Durchgang sorgt für einen Teil eines Rückkehrwegs für den Elektrolyten, wodurch eine Zirkulation des Elektrolyten um die Elektroden herum im stationären Zustand möglich wird.
    • e) eine verbesserte Elektrolytzirkulation kann erreicht werden, indem eine Mehrzahl von Rückkehrwegen bereitgestellt wird, die mit sowohl anodischen als auch kathodischen Elektroden in Verbindung sind.
    • e) Die induzierte Elektrolytzirkulation kann vorteilhaft mit einer Zufuhr von Aluminiumoxid kombiniert werden, um die Verarmung während der Elektrolyse zu kompensieren. Diese Zufuhr von Aluminiumoxid kann sich neben dem oberen Ende der geneigten Zwischenelektrodenlücke oder möglicherweise über den Anoden befinden.
    • f) Die Kathode(n) kann bzw. können leicht aus den üblichen Kohlenstoffsorten gefertigt werden, die für Kathodenanwendungen verwendet werden, wobei die geneigten Kathodenoberflächen mindestens mit einer geeigneten Beschichtung aus mit Aluminium benetzbaren hitzebeständigen Material beschichtet sind, beispielsweise einer als Aufschlämmung aufgetragenen Beschichtung, die Titandiborid enthält, wie beispielsweise in US-A-5 651 874 (de Nora/Sekhar) oder WO 98/17842 (Sekhar/Duruz/Liu) beschrieben ist.
    • g) Die Fertigung der Kathoden mit allgemein konischen, keilförmigen oder prismatischen Vertiefungen in der Kathodenoberseite führt zu einem sehr kompakten und energieeffizienten Design.
    • h) Die Zellen können mit verbrauchbaren Kohlenstoffanoden verwendet werden, es lassen sich jedoch große Vorteile unter Verwendung im Wesentlichen dimensionsstabiler, sauerstoffentwickelnder Nicht-Kohlenstoffanoden erreichen, insbesondere zusammen mit Kathoden mit im Allgemeinen konischen, keilförmigen oder primatischen Vertiefungen in ihrer/ihren Oberseite(n).
    • i) Die Kathoden können an den Anoden aufgehängt sein, damit sie leicht entfernt und wieder in die Zelle eingesetzt werden können.
  • Jeder horizontale Durchgang des Elektrolytwegs kann durch eine Öffnung gebildet werden, die sich durch eine Kathode oder eine Anode hindurch erstreckt.
  • Die oder jede Kathode kann mit einem Elektrolytweg in Verbindung stehen. Der Elektrolytweg kann sich durch einen vertikalen Durchgang in der Mitte einer umgekehrt V-förmigen Kathodenoberfläche von dem oberen bis zu dem unteren Teil von der oder jeder Kathode erstrecken. Alternativ kann sich der Elektrolytweg durch einen vertikalen Durchgang hindurch erstrecken, der sich von neben einem oberen Teil einer V-förmigen Kathodenoberfläche bis zu dem unteren Teil von der oder jeder Kathode erstreckt.
  • In ähnlicher Weise kann die oder jede Anode mit einem Elektrolytweg in Verbindung stehen. Der Elektrolytweg kann sich durch einen vertikalen Durchgang von dem oberen zu dem unteren Teil von der oder jeder Anode in der Mitte einer V-förmigen Anodenoberfläche erstrecken. Alternativ kann sich der Elektrolytweg durch einen vertikalen Durchgang von dem oberen Teil einer umgekehrten V-förmigen Anodenoberfläche bis neben einen unteren Teil der Anode erstrecken.
  • Die horizontalen Durchgänge können durch eine äußere Oberseite einer Anode oder eine äußere Unterseite einer Kathode begrenzt sein.
  • Die geneigten Ablaufkathodenoberflächen können abwärts zu einer Anordnung zum Auffangen von Produktaluminium führen.
  • Die oder jede Kathode kann durch Verbindungsmittel, die aus Materialien mit hohem elektrischen, chemischen und mechanischen Widerstand gefertigt sind, mit mindestens einer Anode verbunden sein, wobei die Zwischenelektrodenlücken im Wesentlichen konstant gehalten werden, so dass die oder jede Kathode mit der Anode/den Anoden, an der/denen sie verbunden ist, entfernbar und in die Zelle einsetzbar ist. Die oder jede Kathode kann somit an mindestens einer Anode aufgehängt sein, oder durch andere Mittel an einer Anode aufgehängt sein. Alternativ kann die oder jede Kathode mechanisch zwischen einem Paar benachbarter Anoden durch mindestens einen horizontalen, elektrisch nicht leitfähigen Stange oder Schiene befestigt sein, die an dem Paar benachbarter Anoden befestigt ist und sich durch die Kathode hindurch erstreckt. Die elektrisch nicht leitfähige Stange oder Schiene kann sich durch eine Mehrzahl von Kathoden hindurch erstrecken.
  • Die Ablaufkathodenoberflächen haben üblicherweise eine aluminiumbenetzbare Beschichtung. Die Ablaufkathodenoberflächen können zudem durch eine aus Aufschlämmung aufgebrachte Beschichtung aus aluminiumbenetzbarem hitzebeständigem Material dimensionsstabil gemacht werden.
  • Der Fluorid enthaltende, geschmolzene Elektrolyt in der Zelle kann im Wesentlichen Kryolith oder Kryolith mit einem Überschuss an AlF3 sein, in der Regel einem Überschuss, der et wa 25 bis 35 Gew.-% des Elektrolyten entspricht. Ein AlF3-Überschuss in dem Elektrolyten setzt den Schmelzpunkt des Elektrolyten herab und ermöglicht den Zellbetrieb mit einem Elektrolyten bei niedrigerer Temperatur, in der Regel 780° bis 880°C, insbesondere 820° bis 860°C.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium in einer Zelle wie oben beschrieben, die gelöstes Aluminiumoxid in einem geschmolzenen Elektrolyten enthält. Bei dem Verfahren wird: gelöstes Aluminiumoxid in den Zwischenelektrodenlücken elektrolysiert, wodurch Aluminium auf der/den Ablaufkathodenoberfläche(n) und Gas auf der/den aktiven Anodenoberfläche(n) produziert wird. Die aufwärtsgerichtete Elektrolytzirkulation in den geneigten Zwischenelektrodenlücken wird durch die aufwärtsgerichtete Entfernung von anodisch produziertem Gas unterstützt. Der Elektrolyt kehrt von einem oberen Teil der Zwischenelektrodenlücken an den Elektrolytwegen entlang zu einem unteren Teil zurück. An Aluminiumoxid verarmter Elektrolyt wird in den Elektrolytwegen mit Aluminiumoxid wieder aufgefüllt, vorzugsweise neben den oberen Teilen der Zwischenelektrodenlücken.
  • Wenn die Anoden aus Kohlenstoffmaterial gefertigt sind, wird während der Elektrolyse anodisch CO2 produziert.
  • Die Anoden sind vorzugsweise aus inertem Nicht-Kohlenstoffmaterial gefertigt, vorzugsweise aus Metall oder auf Metallbasis, wie beispielsweise in WO-A-99/36593, WO-A-99/36594, WO-A-00/06801, WO-A-00/06805 und WO-A-00/40783 (alle im Namen von de Nora/Duruz), US-A-6 077 415 (Duruz/de Nora), WO-A-99/36591 und US-A-6 103 090 (beide im Namen von de Nora) offenbart ist. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Anoden aus einer Legierung auf Nickel-Eisen-Basis gefertigt, wie z. B. in WO-A-00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz) oder WO-A-00/06804 (Crottaz/Duruz) offenbart ist. Wenn die Anoden aus inertem Material gefertigt sind, wird Sauerstoff anodisch entweder durch Oxidieren sauerstoffhaltiger Ionen direkt an den aktiven Oberflächen entwickelt, oder indem zuerst fluorhaltige Ionen oxidiert werden, die anschließend mit den sauerstoffhaltigen Ionen reagieren, wie in PCT/IB99/01976 (Duruz/de Nora) beschrieben ist.
  • Wenn die Zelle mit Anoden auf Metallbasis betrieben wird, ist der geschmolzene Elektrolyt vorteilhaft im Wesentlichen mit Aluminiumoxid gesättigt, insbesondere an der elektrochemisch aktiven Anodenoberfläche, und mit Spezies von mindestens einem Hauptmetall gesättigt, das an der Oberfläche der Anoden vorhanden ist, um die Anoden dimensionsstabil zu halten, wie in WO-A-00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz) offenbart ist.
  • Ein "Hauptmetall" bezieht sich auf ein Metall, das an der Oberfläche der Anode insbesondere in einer oder mehreren Oxidverbindungen in einer Menge von mindestens 25% der Gesamtmenge des Metalls vorhanden ist, das an der Oberfläche der Anode vorhanden ist.
  • Die oder jede Anode kann mit einem Elektrolytweg in Verbindung stehen, wobei Aluminiumoxid von oberhalb des oberen Teils der oder jeder Anode eingespeist wird, wo es sich in dem Elektrolyten löst und entlang des Elektrolytwegs zu einem unteren Teil der Zwischenelektrodenlücke zirkuliert wird. Alternativ oder kumulativ kann die oder jede Kathode mit einem Elektrolytweg in Verbindung stehen, wobei Aluminiumoxid von oberhalb des oberen Teils der oder jeder Kathode eingespeist wird, wo es sich in dem Elektrolyten löst und entlang des Elektrolytwegs zu einem unteren Teil der Zwischenelektrodenlücke zirkuliert wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kathode einer Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium aus in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten ge löstem Aluminiumoxid, wie oben beschrieben. Die Kathode umfasst eine oder mehrere umgekehrte, V-förmige, geneigte Ablaufkathodenoberflächen, die während des Gebrauchs einer oder mehreren Anoden gegenüberliegen und von diesen durch Zwischenelektrodenlücken beabstandet sind. Die Kathode steht mit einem oder mehreren Elektrolytwegen in Verbindung, damit der Elektrolyt von einem oberen Teil zu einem unteren Teil der Zwischenelektrodenlücken zurückkehrt. Der oder jeder Elektrolytweg erstreckt sich durch einen vertikalen Durchgang von einem oberen zu einem unteren Teil der Kathode und danach durch einen horizontalen Durchgang in oder unter dem unteren Teil der Kathode. Der oder jeder horizontale Durchgang erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte horizontale Länge der entsprechenden umgekehrten, V-förmigen Kathodenoberfläche.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Anode einer Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium aus in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid wie oben beschrieben. Die Anode umfasst eine V-förmige geneigte aktive Anodenoberfläche, die während des Gebrauchs einer entsprechend geneigten Ablaufkathode gegenüberliegt und von dieser durch Zwischenelektrodenlücken beabstandet ist. Die Anode steht mit einem Elektrolytweg in Verbindung, damit der Elektrolyt von einem oberen Teil zu einem unteren Teil der Zwischenelektrodenlücken zurückkehrt. Der Elektrolytweg erstreckt sich durch einen horizontalen Durchgang in oder auf einem oberen Tel der Anode und danach durch einen vertikalen Durchgang, der sich von dem oberen Teil zu einem unteren Teil der Anode erstreckt. Der horizontale Durchgang erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte horizontale Länge der entsprechenden V-förmigen Anodenoberfläche.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Ablaufkathodenzelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium aus in einem Fluorid enthaltenden geschmolzenen Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid. Die Zelle umfasst eine Reihe von Anoden, die über einer oder mehreren Kathoden hängen. Die Anoden beziehungsweise die Kathode(n) haben geneigte aktive Anodenoberflächen und parallel geneigte Ablaufkathodenoberflächen, die einander gegenüberliegen und durch geneigte Zwischenelektrodenlücken beabstandet sind, die so angeordnet sind, dass der Elektrolyt unterstützt durch anodisch produziertes Gas in den geneigten Zwischenelektrodenlücken aufwärts zirkuliert und danach über Elektrolytwege aus oberen Teilen zu unteren Teilen der Zwischenelektrodenlücken zurückkehrt. Jeder Elektrolytweg erstreckt sich wie folgt durch horizontale und vertikale Durchgänge: einen vertikalen Durchgang, der mit einer Kathode in Verbindung steht, und danach einem horizontalen Durchgang in oder unter einem unteren Teil der Kathode, und/oder einem horizontalen Durchgang in oder auf einem oberen Teil einer Anode und danach einem vertikalen Durchgang, der mit der Anode in Verbindung steht. Jeder horizontale Durchgang erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte horizontale Länge einer entsprechenden Zwischenelektrodenlücke.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird in Bezug auf die angefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, in denen
  • 1 eine Querschnittansicht ist, die einen Teil einer erfindungsgemäßen Ablaufkathodenzelle zeigt;
  • 2 eine von unten erfolgende Ansicht einer Ausführungsform einer Kathode der Zelle von 1 ist;
  • 2a ein Detail von 2 illustriert;
  • 3 eine Ansicht ähnlich 1 ist, die einen Teil einer Zelle mit einer modifizierten Kathode zeigt;
  • 4 eine Querschnittansicht einer Zelle ist, die eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kathode einschließt;
  • 5 bis 7 Querschnittansichten weiterer Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Ablaufkathodenzellen sind, in denen Elektrolytzirkulation um die Anoden herum erfolgt; und
  • 8 eine Querschnittansicht ist, die einen Teil einer multimonopolaren erfindungsgemäßen Ablaufkathodenzelle zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 zeigt schematisch eine Ablaufkathodenzelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium 10 in einem geschmolzenen, Fluorid enthaltenden Elektrolyten 12, wie gelöstes Aluminiumoxid enthaltenem Kryolith. Die Zelle umfasst eine Mehrzahl von Anoden 14, die über Kathodenblöcken 16 aufgehängt und von diesen durch geneigte Zwischenelektrodenlücken 20 beabstandet sind. Die Zelle kann eine zweckmäßige Anzahl von Reihen von Anoden 14 und Kathodenblöcken 16 enthalten; der Einfachheit halber sind nur eine Anode 14 und ein Kathodenblock 16 gezeigt.
  • Die Kathodenblöcke 16 haben geneigte Ablaufkathodenoberflächen 18, die aus aluminiumbenetzbarem hitzebeständigem Material gefertigt oder damit beschichtet sind. Die Kathodenblöcke 16 sind beispielsweise aus Kohlenstoff gefertigt, und die aluminiumbenetzbare Kathodenoberfläche ist eine Beschichtung, die Titandiborid enthält und aus einer Aufschlämmung abgesetzt ist, wie in US-A-5 651 874 (de Nora/Sekhar) oder WO-A-98/17842 (Sekhar/Duruz/Liu) beschrieben ist. Die Kathodenblöcke 16 sind auf einem Zellboden 40 angeordnet oder daran durch Binden oder mechanische Mittel befestigt. Der Zellboden 40 kann auch aus Kohlenstoff hergestellt sein, der mit einer aluminiumbenetzbaren Oberfläche beschichtet ist, die Titandiborid enthält.
  • Die Benetzbarkeit der Beschichtung kann verbessert werden, indem ein Benetzungsmittel zugefügt wird, das aus mindestes einem Metalloxid besteht, wie Kupfer-, Eisen- oder Nickeloxid, das während des Gebrauchs mit geschmolzenem Aluminium unter Bildung von Aluminiumoxid und dem Metall des benetzenden Oxids reagiert, wie in PCT/IB99/01982 (de Nora/Duruz) offenbart ist.
  • Diese geneigten Ablaufkathodenoberflächen 18 führen zu einer Anordnung zum Auffangen von Produktaluminium 10, das von den Kathodenoberflächen 18 auf den Zellboden 40 abläuft. Die Anoden 14 haben geneigte Arbeitsanodenoberflächen 22, die den geneigten Ablaufkathodenoberflächen 18 gegenüberliegen. Diese geneigten Arbeitsanodenoberflächen 22 tragen zur nach oben gerichteten Entfernung anodisch produzierter Gase bei, wie durch Pfeile G gezeigt wird.
  • Die Unterseite jedes Kathodenblocks 16 ist mit vier seitwärts gerichteten Rillen 26' ausgestattet, die allgemein horizontale Elektrolytdurchgänge 26 begrenzen. Jede horizontal seitwärts gerichtete Rille 26' erstreckt sich von einer äußeren lateralen Seite 28 zu einer mittleren inneren Seite 30 des Kathodenblocks 16 unter dem unteren Ende 18'' der geneigten Kathodenoberfläche 18.
  • Diese horizontalen Elektrolytdurchgänge 26 wirken mit allgemein vertikalen Elektrolytdurchgängen 27 zusammen, die durch die äußeren lateralen Seiten 28 benachbarter Kathodenblöcke begrenzt sind, um einen Weg für die Elektrolytrückkehr zur Zirkulation von Elektrolyt 12 zu definieren, die durch die Entfernung anodisch produzierter Gase entlang der geneigten Anodenoberfläche 22 in die Zwischenelektrodenlücken 20 induziert wird, wie durch Pfeil G gezeigt ist.
  • In jeder Zwischenelektrodenlücke 20 zirkuliert der Elektrolyt 12 aufwärts in Gegenrichtung zu dem abwärtsgerichteten Ablaufen des Aluminiums an den geneigten Ablaufkathodenoberflächen 18. Wenn der Elektrolyt 12 die äußere laterale Seite 28 des Kathodenblocks 16 erreicht, nachdem er das obere Ende der Zwischenelektrodenlücke 20 am oberen Bereich 18'' der sich neigenden Ablaufkathodenoberfläche 18 erreicht hat, fließt er den allgemein vertikalen Elektrolytdurchgang 27 herunter und kehrt über den allgemein horizontalen Elektrolytdurchgang 26 zu der inneren Seite 30 des Kathodenblocks 16 zurück. Der Elektrolyt zirkuliert dann von der inneren Seite 30 zu dem unteren Ende der Zwischenelektrodenlücke am unteren Ende 18'' der geneigten Ablaufkathodenoberfläche 18.
  • Diese Zirkulation des Elektrolyten wird durch Pfeile E auf der rechten Seite von 1 gezeigt, während das Ablaufen des Produktaluminiums durch Pfeile A in der linken Seite von 1 gezeigt ist.
  • Wie durch Pfeile F in 1 gezeigt ist, wird dem Elektrolyten 12 Aluminiumoxid zugeführt, wo er nahe der Elektrolytoberfläche zirkuliert, d. h. oberhalb des oberen Teils der Zwischenelektrodenlücken 20. Aluminiumoxidreicher Elektrolyt 12 fließt anschließend um die Kathoden 16 herum die allgemein vertikalen Elektrolytdurchgänge 27 herunter, um den allgemein horizontalen Elektrolytdurchgängen 26 zugeführt zu werden, die den aluminiumoxidreichen Elektrolyten dem Boden der Zwischenelektrodenlücken 20 zuführen.
  • Der obere Bereich der Rillen 26', der die allgemein horizontalen Elektrolytdurchgänge 26 begrenzt, erstreckt sich über das Niveau des Aluminiums, das sich als flache Schmelze 10 auf dem Zellboden 40 ansammelt. Das Aluminium 10 wird in einem Reservoir (nicht gezeigt) außerhalb der Anordnung von Anoden 14 und Kathodenblöcken 16 aufgefangen, und dieses Reservoir wird in regelmäßigen Intervallen abgezapft, um die Aluminiumschmelze 10 auf einem gewünschten Niveau zu halten. Dieses Reservoir kann sich in der Mitte der Zelle befinden, wie in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung PCT/IB99/00698 (de Nora) offenbart ist, oder an einem Ende der Zelle, innerhalb oder außerhalb der Zelle. Das Aluminiumniveau wird so gesteuert, dass das Aluminium in der Schmelze 10 nicht auf ein Niveau steigt, das sich dem oberen Bereich der Durchgänge 26 nähert, wo es die Elektrolytzirkulation behindern könnte.
  • 2 zeigt einen allgemein zylindrischen Kathodenblock 16 von 1 in schematischer Ansicht von unten. In diesem Beispiel sind vier seitwärts gerichtete Rillen 26', die die allgemein horizontalen Elektrolytdurchgänge 26 in der Unterseite des Kathodenblocks 16 bilden, in Kreuzkonfiguration angeordnet, wobei sie sich mittig an der inneren Seite 30 treffen, die eine zylindrische durchgehende Bohrung ist. In dieser Ausführungsform sind die geneigten Ablaufkathodenoberflächen 18 und die geneigten Anodenoberflächen 22 im Allgemeinen kegelstumpfförmig. Die Durchgänge 26 können, falls erforderlich, abgerundet sein oder an ihren äußeren Enden herausragen, wo sie zu der allgemein zylindrischen äußeren Seite 28 des Kathodenblocks 16 führen.
  • Wie in 2a gezeigt ist, können die oberen Teile der Rillen 26', die die allgemein horizontalen Elektrolytdurchgänge 26 oberhalb des Niveaus der Aluminiumschmelze 10 bilden, bogenförmig sein. In einer alternativen Ausführungsform können die allgemein horizontalen Elektrolytdurchgänge 26 durch Löcher in einem unteren Teil der Kathodenblöcke 16 gebildet werden, oder die Kathodenblöcke 16 können beispielsweise an den Anoden 14 aufgehängt sein, um so eine Lücke zwischen Kathodenblöcken 16 und dem aufgefangenen geschmolzenen Aluminium 10 zu hinterlassen, wodurch ein allgemein horizontaler Elek trolytdurchgang 26 unter der gesamten Unterseite des Kathodenblocks 16 definiert wird.
  • 2 zeigt auch in einer punktierten Linie 29 den Umriss eines Kathodenblocks mit allgemein rechteckiger Form, der die gleiche Innenkonfiguration hat.
  • 1 illustriert den allgemein horizontalen Elektrolytdurchgang 26 als mit einheitlicher Höhe von einem Ende zu dem anderen. Zur Verbesserung der Zirkulation des Elektrolyten 12 und zur Verhinderung von Verschleiß können die Endteile der Durchgänge 26 jedoch gekrümmt sein, wie in punktierten Linien in der rechten Seite von 1 gezeigt ist. In ähnlicher Weise kann die Oberseite des Kathodenblocks 16 entweder flach, wie gezeigt, oder abgerundet sein.
  • 3 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen Ablaufkathodenzelle ähnlich der Zelle von 1, die eine oder mehrere Reihen von Kathodenblöcken 16 enthält. In der Zelle von 3 befinden sich die allgemein horizontalen Elektrolytdurchgänge 26 in Öffnungen 26', die sich durch die Masse des Kathodenkörpers 16 hindurch erstrecken, oberhalb des Bodens des Kathodenkörpers 16 und somit oberhalb des Zellbodens 40 beabstandet sind. Die Öffnungen 26' können beispielsweise einen runden oder ovalen Querschnitt haben, oder rechteckig mit abgerundeten Kanten. Das Aluminiumniveau 10 wird wie zuvor etwa in der Mitte zwischen diesen Öffnungen 26' gehalten. In dieser Ausführungsform befindet sich die durch Pfeil F gezeigte Aluminiumoxidzufuhr über Kathode 16 sowie über vertikalen Durchgängen 27, die zu den allgemein horizontalen Durchgängen 26 führen.
  • Die in 3 illustrierte Kathode kann auch ringförmig sein, wobei die geneigten Kathodenoberflächen 18 um den oberen Bereich des Rings herum verteilt sind.
  • 4 illustriert eine Elektrolytzirkulation, die durch Pfeile E gezeigt ist, in und um eine Kathode 16 herum. Diese Elektrolytzirkulation entspricht im Allgemeinen einer Elektrolytzirkulation, die durch Anordnung einer Mehrzahl von Anoden-Kathoden-Anordnungen 14, 16, wie individuell in 3 gezeigt, nebeneinander, jedoch beabstandet in einer Zelle erreicht werden kann.
  • Die in 4 gezeigte Kathode 16 umfasst eine Mehrzahl von Kathodenoberflächen 18, die paarweise als abgestumpfte V-Formen oder umgekehrte V-Formen gegenüber einer entsprechenden Anzahl von Anoden 14 angeordnet sind, die davon durch Zwischenelektrodenlücken 20 beabstandet sind.
  • Die Kathoden 16 schließen eine Reihe von Elektrolytwegen 26, 27 ein. Jeder Elektrolytweg erstreckt sich durch einen vertikalen Durchgang 27, der durch eine vertikale Öffnung zwischen einem Paar von Kathodenoberflächen 18 begrenzt ist, von einem oberen zu einem unteren Teil einer Kathode 16 und danach durch einen horizontalen Durchgang 26, der durch eine horizontale Öffnung 26' in dem unteren Teil der Kathode begrenzt ist.
  • 5, 6 und 7 zeigen schematisch unterschiedliche Anoden-Kathoden-Anordnungen einer Ablaufkathodenzelle, in der eine Elektrolytzirkulation um Anoden 14, 14' herum erfolgt. In der Praxis sind die Anoden alle gleich, zum Zweck der Veranschaulichung sind jedoch zwei unterschiedliche Anodenkonfigurationen 14 und 14' gezeigt.
  • 5 und 6 zeigen jeweils eine Ablaufkathodenzelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium 10 in einem geschmolzenen, Fluorid enthaltenden Elektrolyten 12, der gelöstes Aluminiumoxid enthält. Die Zelle umfasst eine Mehrzahl von Anoden 14, 14', die über Kathodenblöcken 16 aufgehängt und durch geneigte Zwischenelektrodenlücken 20 von diesen beab standet sind. Die Zelle kann eine zweckmäßige Anzahl von Reihen von Anoden 14, 14' und Kathodenblöcken enthalten.
  • Die Anodenblöcke 14, 14' haben geneigte aktive Anodenoberflächen 22. Die Anoden- können aus kohlenstoffhaltigem oder kohlenstoffartigem Material gefertigt werden, das insbesondere mit einer borhaltigen Lösung imprägniert ist, wie in US-A-5 486 278 (Manganiello/Duruz/Bellò) und in EP-B-0874789 (de Nora/Duruz/Berclaz) beschrieben ist. Die Anoden sind jedoch vorzugsweise Sauerstoff entwickelnde, sich nicht verbrauchende Anoden, die aus inertem Nicht-Kohlenstoffmaterial gefertigt sind, insbesondere aus Metall oder Material auf Metallbasis, das, wie bereits gesagt, dimensionsstabil gehalten werden kann.
  • Diese geneigten aktiven Anodenoberflächen 22 liegen geneigten Ablauf kathodenoberflächen 18 gegenüber, die zu einer Anordnung zum Auffangen von Produktaluminium 10 führen, das von den Kathodenoberflächen 18 auf den Zellboden 40 abläuft. Diese geneigten aktiven Anodenoberflächen 22 tragen zur aufwärtsgerichteten Entfernung anodisch produzierter Gase bei, wie durch Pfeile G gezeigt wird.
  • Die Unterseite jedes Kathodenblocks 16 ist gegebenenfalls mit einer vertieften Rille 26'' ausgestattet, die sich seitwärts durch den Kathodenblock 16 hindurch erstreckt, um die Bewegung des Produktaluminiums 10 zu erleichtern, wenn es an einem Ende der Zelle abgestochen wird. Eine derartige Rille 26'' dient, im Unterschied zu den in den vorhergehenden Figuren gezeigten Rillen 26', nicht der Zirkulation des Elektrolyten. Es sind verschiedene Anordnungen zum Auffangen von Aluminium geeignet, wie beispielsweise in US-A-5 683 559 (de Nora) offenbart ist.
  • Der obere Teil jedes Anodenblocks 14, 14' steht in Verbindung mit einem allgemein horizontalen Elektrolytdurchgang 36, der einen Teil des Rückkehrwegs des Elektrolyten definiert.
  • In dem linken Teil von 5 umfasst jede Anode 14 in ihrem oberen Teil eine Rille oder Öffnung 36', die den allgemein horizontalen Elektrolytdurchgang 36 begrenzt. Diese Rille oder Öffnung 36' erstreckt sich horizontal neben den oberen Enden 22' der geneigten aktiven Anodenoberfläche 22 zu einer vertikalen Öffnung 23, die sich zu einem unteren Teil der Anode 14 zwischen den Anodenoberflächen 33 erstreckt, wodurch ein vertikaler Elektrolytweg 37 definiert wird.
  • In dem rechten Teil von 5 und in 6 ist jede Anode 14' mit einer Oberseite 36' ausgestattet, die den allgemein horizontalen Elektrolytdurchgang 36 begrenzt. In diesem Fall sind die Anoden 14' an einem Stamm 15 aufgehängt, wobei der gesamte Arbeitsteil der Anode 14' in den geschmolzenen Elektrolyten 12 eintaucht, wodurch ein Raum oberhalb der Oberseite 36'' zur Elektrolytzirkulation verbleibt.
  • Jeder allgemein horizontale Elektrolytdurchgang 36 steht in Verbindung mit einem allgemein vertikalen Elektrolytdurchgang 37, der durch eine Öffnung 23 begrenzt ist, die sich zu einem unteren Teil der Anode 14 zwischen den Anodenoberflächen 22 erstreckt. Die allgemein horizontalen und vertikalen Durchgänge 36, 37 bilden einen Elektrolytrückkehrweg für zirkulierenden Elektrolyten aus dem oberen Teil der Zwischenelektrodenlücke 20 am oberen Ende 22' der geneigten aktiven Anodenoberfläche 22 zu dem unteren Teil der Zwischenelektrodenlücke 20 am unteren Ende 22'' der geneigten aktiven Anodenoberfläche 22. Die Elektrolytzirkulation wird durch die Freisetzung anodisch produzierter Gase entlang der geneigten Anodenoberfläche 22 an der Zwischenelektrodenlücke 20 induziert, wie durch Pfeile G gezeigt ist.
  • In der Zwischenelektrodenlücke 20 zirkuliert der Elektrolyt 12 aufwärts in Gegenrichtung zu dem abwärtsgerichteten Ablaufen des Aluminiums an den geneigten Ablaufkathodenoberflächen 18. Wenn der Elektrolyt 12 den allgemein horizontalen Elektrolytdurchgang 36 erreicht, der mit den Anoden 14, 14' in Verbindung steht, fließt er den Durchgang 36 entlang und dann durch den allgemein vertikalen Elektrolytdurchgang 37 abwärts entlang Öffnung 23, von wo er in den unteren Bereich der Zwischenelektrodenlücke 20 am unteren Ende 22'' der geneigten aktiven Anodenoberfläche 22 zurückkehrt.
  • Diese Zirkulation des Elektrolyten 12 wird durch Pfeile E auf der linken Seite von 5 gezeigt, während das Ablaufen des Produktaluminiums durch Pfeile A in der rechten Seite von 5 gezeigt ist. Wie durch Pfeile F gezeigt ist, wird auf der linken Seite von 5 Aluminiumoxid zwischen den Anoden 14 zugeführt, während Aluminiumoxid auf der rechten Seite von 5 zwischen und/oder oberhalb der eingetauchten Anoden 14 zugeführt werden kann.
  • In 6 ist jede Kathode 16 mechanisch zwischen einem Paar benachbarter Anoden 14' durch horizontale, elektrisch nicht leitende Schienen 19 befestigt, die in den Anoden 14' befestigt sind und sich durch die Kathoden 16 hindurch erstrecken. Diese Konfiguration ermöglicht gleichzeitiges Einsetzen und Entfernen der Anoden 14' und Kathoden 16 sowie genaues Positionieren der Anoden 14' über den Kathoden 16, wodurch der Betrieb mit einer kleinen Zwischenelektrodenlücke 20 möglich ist.
  • In 7 steht jede Anode 14' beziehungsweise Kathode 16 mit einem allgemein horizontalen Elektrolytdurchgang 36, 26 in Verbindung, der mit einem allgemein vertikalen Elektrolytdurchgang 37, 27 zusammenwirkt, wodurch Elektrolytrückkehrwege wie oben beschrieben definiert werden.
  • Während des Zellbetriebs wird in dem Elektrolyten 12 gelöstes Aluminiumoxid in den Zwischenelektrodenlücken 20 elektrolysiert, um an der geneigten Ablaufkathodenoberfläche 18 Aluminium und an den aktiven Anodenoberflächen 22 Gas, beispielsweise Sauerstoff, zu produzieren. Das Produktaluminium läuft an den geneigten Kathodenoberflächen 18 abwärts zu einer Anordnung zum Auffangen von geschmolzenem Aluminium 10, während die Entfernung von anodisch produzierten Gasen entlang der geneigten Anodenoberfläche 22 in der Zwischenelektrodenlücke 20, wie durch Pfeil G gezeigt wird, zu einem Aufwärtsfluss des Elektrolyten führt, der die durch Pfeile E gezeigte Elektrolytzirkulation produziert.
  • Der Elektrolyt 12 fließt in der Zwischenelektrodenlücke 20 aufwärts, wo er durch die Elektrolyse, welche zwischen den sich gegenüberliegenden Arbeitsoberflächen 18, 22 der Anoden/Kathoden 14', 16 stattfindet, zunehmend an Aluminiumoxid verarmt. Der Elektrolyt verlässt den oberen Teil der Zwischenelektrodenlücke 20 zwischen den oberen Enden 18', 22' der Anoden/Kathoden-Arbeitsoberflächen 18, 22, und das anodisch produzierte Gas wird an der Oberfläche des Elektrolyten 12 freigesetzt. Ein Teil des Elektrolyten fließt um die Anoden 14' herum und durch diese hindurch, zuerst die allgemein horizontalen Elektrolytdurchgänge 36 hindurch, danach die Durchgänge 37 abwärts. Ein weiterer Teil des Elektrolyten fließt um die Kathoden 16 herum und durch diese hindurch, den Durchgang 27 herunter und danach in der Zwischenelektrodenlücke 20 nach oben.
  • Wie durch Pfeile F in 1 gezeigt ist, wird dem Elektrolyten 12 Aluminiumoxid zugeführt, wo er nahe der Elektrolytoberfläche zirkuliert, d. h. oberhalb des oberen Teils der Zwischenelektrodenlücken 20 oder oberhalb der Oberseiten 36' der Anoden 14'. Anschließend fließt aluminiumoxidreicher Elek trolyt 12 die allgemein vertikalen Elektrolytdurchgänge 27, 37 abwärts durch die Anoden 14' beziehungsweise durch die Kathoden 16, damit er einerseits direkt den unteren Enden 22'' der geneigten aktiven Anodenoberflächen 22 zugeführt wird, und andererseits über die allgemein horizontalen Elektrolytdurchgänge 26, die in Verbindung mit den Kathoden 16 stehen, wodurch dem unteren Bereich der Zwischenelektrodenlücken 20 aluminiumoxidreicher Elektrolyt zugeführt wird.
  • 8 zeigt eine multimonopolare Ablaufkathodenzelle, in der die Anoden 14' und Kathoden 16 von oberhalb der Zelle an Anodenstämmen 15 und Kathodenstämmen 17 aufgehängt sind, die auch der Stromzufuhr zu Anoden 14' und Kathoden 16 dienen.
  • Ähnlich wie bei der in 6 gezeigten Zelle werden die Anoden 14' und Kathoden 16 durch eine horizontale, elektrisch nicht leitende Stange 19 auseinandergehalten, damit sie gleichzeitig eingesetzt und entfernt werden können, und damit die aktiven Anodenoberflächen 22 genau über den Ablaufkathodenoberflächen 18 positioniert werden können, wodurch der Betrieb mit einer kleinen Zwischenelektrodenlücke 20 möglich ist. Die in 8 gezeigte horizontale, elektrisch nicht leitende Stange 19 ist an den Anodenstämmen 15 und Kathodenstämmen 17 befestigt und befindet sich oberhalb des geschmolzenen Elektrolyten 12. Die in 8 gezeigte horizontale, elektrisch nicht leitende Stange 19 muss somit nicht beständig gegenüber dem geschmolzenen Elektrolyten 12 sein.
  • Die in 8 gezeigten Anoden 14' und Kathode 16 stehen jeweils mit einem allgemein horizontalen Elektrolytdurchgang 26, 36 in Verbindung, der mit einem allgemein vertikalen Elektrolytdurchgang 27, 37 zusammenwirkt, wodurch Elektrolytrückkehrwege wie oben für 7 beschrieben definiert werden.
  • Die in 8 gezeigten Kathoden 16 sind ferner oberhalb des Zellbodens 40 und des Produktaluminiums 10 beabstandet. Der Raum zwischen jeder Kathode 16 und dem Zellboden 40 definiert den allgemein horizontalen Durchgang 26 zur Rückkehr von aluminiumoxidreichem geschmolzenen Elektrolyten 12 zu dem unteren Ende von Zwischenelektrodenlücke 20.
  • Während des Zellbetriebs ermöglicht die Anoden-Kathoden-Anordnung 14', 16 eine durch anodisch entwickelten Sauerstoff angetriebene Elektrolytzirkulation wie oben beschrieben. In der Zelle von 8 entweicht Sauerstoff, der sich an den aktiven Anodenoberflächen 22 durch Elektrolyse von gelöstem Aluminiumoxid in den Zwischenelektrodenlücken 20 entwickelt, in Richtung der Oberfläche des geschmolzenen Elektrolyten 12, wie durch Pfeile G gezeigt ist. Das Entweichen von Sauerstoff von unterhalb der aktiven Anodenoberflächen 22 erzeugt eine Elektrolytzirkulation, wie durch Pfeile E gezeigt ist, entlang den Zwischenelektrodenlücken 20 und den Elektrodenrückkehrwegen, die vertikale und horizontale Durchgänge 27, 26, 37, 36 umfassen, die mit Anoden 14' und Kathoden 16 in Verbindung stehen.
  • Der Elektrolyt 12 zirkuliert in den geneigten Zwischenelektrodenlücken 20 aufwärts und kehrt dann durch die Anoden 14' oder Kathoden 16' hindurch von dem oberen Bereich der Zwischenelektrodenlücken 20 in den unteren Bereich der Zwischenelektrodenlücken 20 wie folgt zurück ein Teil des Elektrolyten 12 kehrt durch Öffnungen 27' und entlang der Durchgänge 27, die sich vertikal durch die Kathoden 16 hindurch erstrecken, und dann entlang der horizontalen Durchgänge 26 unter den Kathoden 16 zurück; ein weiterer Teil des Elektrolyten 12 kehrt entlang der horizontalen Durchgänge 36 oberhalb der Anoden 14'' und danach durch Öffnungen 37' hindurch und entlang der vertikalen Durchgänge 37 zurück, die sich durch die Anoden 14' hindurch erstrecken.
  • Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit speziellen Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, ist offensichtlich, dass sich Alternativen, Modifikationen und Varianten Fachleuten von selbst ergeben.

Claims (26)

  1. Zelle mit Ablaufkathode für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöstem Alumuniumoxid, mit einer oder mehreren Anoden und einer oder mehreren Kathoden, wobei die oder jede Anode bzw. Kathode eine geneigte V-förmige oder umgekehrt V-förmige aktiven Anodenoberfläche bzw. eine parallele geneigte V-förmige oder umgekehrt V-förmige KathodenAblaufoberfläche hat oder haben, die voneinander durch zwei geneigte Zwischenelektrodenlücken beabstandet sind, die so angeordnet sind, dass Elektrolyt in den geneigten Zwischenelektrodenlücken unterstützt durch anodisch produziertes Gas aufwärts zirkuliert und dann von einem oberen Bereich zu einem unteren Bereich jeder Zwischenelektrodenlücke entlang eines Elektrolytweges zurückkehrt, wobei jeder Elektrolytweg durch vertikale und horizontale Durchgänge wie folgt verläuft: ein vertikaler Durchgang von einem oberen zu einem unteren Bereich einer Kathode und dann ein horizontaler Durchgang in oder unter dem unteren Teil der Kathode und/oder ein horizontaler Durchgang in oder auf einem oberen Teil einer Anode und dann ein vertikaler Durchgang, der sich von dem oberen zu dem unteren Teil der Anode erstreckt, oder einer Reihe von Anoden und einer oder mehreren Kathoden, wobei die Anoden bzw. die Kathode(n) geneigte aktive Anodenoberflächen bzw. parallele geneigte KathodenAblaufoberflächen haben, die einander zugewandt sind und durch geneigte Zwischenelektrodenlücken auf Abstand zueinander sind, die so angeordnet sind, dass Elektrolyt in den geneigten Zwischenelektrodenlücken unterstützt durch anodisch produziertes Gas nach oben zirkuliert und dann von oberen Bereichen zu unteren Bereichen der Zwischenelektrodenlücken entlang der Elektrolytwege zurückkehrt, wobei jeder Elektrolytweg durch horizontale und vertikale Durchgänge wie folgt verläuft: ein zu einer Kathode gehöriger vertikaler Durchgang und dann ein horizontaler Durchgang in oder unter einem unteren Teil der Kathode, und/oder ein horizontaler Durchgang in oder auf einem oberen Teil einer Anode und dann ein zu der Anode gehöriger vertikaler Durchgang, wobei jeder horizontale Durchgang sich im Wesentlichen über die ganze horizontale Länge einer entsprechenden Zwischenelektrodenlücke erstreckt.
  2. Zelle nach Anspruch 1, wobei jeder horizontale Durchgang durch eine Öffnung gebildet ist, die durch eine Kathode oder eine Anode verläuft.
  3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder horizontale Durchgang durch eine äußere obere Fläche einer Anode oder eine äußere untere Fläche einer Kathode begrenzt ist.
  4. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder jede Kathode zu einem Elektrolytweg gehört.
  5. Zelle nach Anspruch 4, wobei der Elektrolytweg durch einen vertikalen Durchgang in der Mitte einer umgekehrten V- förmigen Kathodenoberfläche von dem oberen Bereich zu dem unteren Bereich der oder jeder Kathode verläuft.
  6. Zelle nach Anspruch 4, wobei der Elektrolytweg durch einen vertikalen Durchgang verläuft, der aus der Nachbarschaft eines oberen Bereichs einer V-förmigen Kathodenoberfläche zu dem unteren Teil der oder jeder Kathode verläuft.
  7. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder jede Anode zu einem Elektrolytweg gehört.
  8. Zelle nach Anspruch 7, wobei der Elektrolytweg durch einen vertikalen Durchgang von dem oberen Bereich zum unteren Bereich der oder jeder Anode in der Mitte einer V-förmigen Anodenoberfläche verläuft.
  9. Zelle nach Anspruch 7, wobei der Elektrolytweg durch einen vertikalen Durchgang von dem oberen Bereich der oder jeder Anode bis in Nachbarschaft zu einem unteren Bereich einer umgekehrt V-förmigen Anodenoberfläche verläuft.
  10. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder jede Anode und Kathode zu einem Elektrolytweg gehören.
  11. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geneigten KathodenAblaufoberflächen nach unten in eine Anordnung zum Sammeln von Produktaluminium führen.
  12. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder jede Kathode mit wenigstens einer Anode durch Verbin dungseinrichtungen verbunden ist, die aus Materialien mit hohem elektrischen und mechanischen Widerstand hergestellt sind und die die Zwischenelektrodenlücken im Wesentlichen konstant halten, wobei die oder jede Kathode mit der wenigstens einen Anode, mit der sie verbunden ist, zusammen entnehmbar und in die Zelle einsetzbar ist.
  13. Zelle nach Anspruch 12, wobei die oder jede Kathode mechanisch zwischen einem Paar von benachbarten Anoden mit wenigstens einer horizontalen elektrisch nicht leitfähigen Stange oder Schiene befestigt ist, die mit dem Paar von benachbarten Anoden verbunden ist und durch die Kathode verläuft.
  14. Zelle nach Anspruch 13, wobei die wenigstens eine elektrisch nicht leitfähige Stange oder Schiene durch eine Mehrzahl von Kathoden verläuft.
  15. Zelle nach Anspruch 12, wobei die oder jede Kathode an wenigstens einer Anode aufgehängt ist.
  16. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die KathodenAblaufoberflächen eine aluminiumbenetzbare Beschichtung haben.
  17. Zelle nach Anspruch 16, wobei die KathodenAblaufoberflächen durch eine aus einer Aufschlemmung aufgebrachte Beschichtung aus aluminiumbenetzbarem hitzebeständigem Material dimensionsstabil ausgeführt sind.
  18. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der geschmolzene Elektrolyt im Wesentlichen aus Kryolit mit einem Überschuss von AlF3 besteht, der etwa 25 bis 35 Gew.-% des Elektrolyten entspricht.
  19. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyt eine Temperatur von 780° bis 880°C hat, insbesondere von 820° bis 860°C.
  20. Verfahren zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium in einer Zelle wie einem der Ansprüche 1 bis 19 definiert, die in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöstes Aluminiumoxid enthält, wobei bei dem Verfahren: in den Zwischenelektrodenlücken gelöstes Aluminiumoxid elektrolysiert wird, wodurch auf der/den KathodenAblaufoberfläche(n) Aluminium und auf der/den aktiven Anodenoberfläche(n) Gas erzeugt wird; die Elektrolytzirkulation nach oben in den geneigten Zwischenelektrodenlücken durch die Aufwärtsbewegung von anodisch erzeugtem Gas unterstützt wird; der Elektrolyt von einem oberen Bereich zu einem unteren Bereich der Zwischenelektrodenlücken entlang der Elektrolytwege zurückgeführt wird und der an Aluminiumoxid verarmte Elektrolyt in den Elektrolytwegen wieder mit Aluminiumoxid angereichert wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der an Aluminiumoxid verarmte Elektrolyt in der Nachbarschaft der oberen Bereiche der Zwischenelektrodenlücken mit Aluminiumoxid angereichert wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei die oder jede Anode zu einem Elektrolytweg gehört, wobei das Aluminiumoxid von oberhalb des oberen Bereichs des oder jeder Anode zugeführt wird, wo es in dem Elektrolyten gelöst und entlang des Elektrolytweges zu einem unteren Bereich der Zwischenelektrodenlücke zirkuliert wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei die oder jede Kathode zu einem Elektrolytweg gehört, wobei das Aluminiumoxid von oberhalb des oberen Bereichs des oder jeder Kathode zugeführt wird, wo es in dem Elektrolyten gelöst und entlang des Elektrolytweges zu einem unteren Bereich der Zwischenelektrodenlücke zirkuliert wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Anode(n) und die Kathode(n) jeweils zu einem Elektrolytweg gehören, wobei ein Teil des Elektrolyten entlang jedes zu einer betreffenden Anode gehörigen Elektrolytweges zirkuliert wird und ein anderer Teil des Elektrolyten entlang jedes zu einer betreffenden Kathode gehörigen Elektrolytweges zirkuliert wird.
  25. Kathode einer Zelle für die elektrolytischen Gewinnung von Aluminium aus in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid wie in Anspruch 1 definiert, wobei die Kathode eine oder mehrere umgekehrt V-förmige geneigte KathodenAblaufoberflächen hat, die während des Betriebs einer oder mehreren Anoden zugewandt sind und von diesen durch Zwischenelektrodenlücken beabstandet sind, wobei die Kathode einem oder mehreren Elektrolytwegen für die Rückführung von Elektrolyten von einem oberen Bereich zu einem unteren Teil der Zwischenelektrodenlücken zugeordnet ist, wobei der oder jeder Elektrolytweg durch einen vertikalen Durchgang von einem oberen zu einem unteren Bereich der Kathode und dann durch einen horizontalen Durchgang in oder unter dem unteren Bereich der Kathode verläuft, wobei der oder jeder horizontale Durchgang im Wesentlichen über die gesamte horizontale Länge der entsprechenden umgekehrt V-förmigen Kathodenoberfläche verläuft.
  26. Anode einer Zelle für die elektrolytischen Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist, wie in Anspruch 1 definiert, wobei die Anode eine V-förmige geneigte aktive Anodenoberfläche hat, die während des Betriebs einer entsprechend geneigten KathodenAblaufoberfläche zugewandt ist und davon durch Zwischenelektrodenlücken beabstandet ist, wobei die Anode einem Elektrolytweg für die Rückführung von Elektrolyten aus einem oberen Bereich zu einem unteren Bereich der Zwischenelektrodenlücken zugeordnet ist, wobei der Elektrolytweg durch einen horizontalen Durchgang in oder auf einem oberen Bereich der Anode und dann durch einen vertikalen Durchgang verläuft, der sich von dem oberen Bereich zu einem unteren Bereich der Anode erstreckt; wobei der horizontale Durchgang sich im Wesentlichen über die gesamte horizontale Länge der V-förmigen Anodenoberfläche erstreckt.
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