ES2202085T3 - Celdas para la electreolisis de aluminio con catodo de forma de v. - Google Patents
Celdas para la electreolisis de aluminio con catodo de forma de v.Info
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Abstract
Celda para la electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrólito fundido que contiene fluoruros, que comprende una serie de ánodos basados en metal, dotados de estructuras activas electroquímicamente para la generación de oxígeno, poseyendo una serie de aberturas verticales sustancialmente de tipo pasante, para el escape del oxígeno gaseoso producido anódicamente, dirigiéndose las estructuras electroquímicamente activas a una superficie de cátodo con drenaje humectable por aluminio y estando separadas de la misma, sobre cuya superficie de cátodo se produce aluminio, estando constituida la superficie de cátodo con drenaje a lo largo de la celda por superficies superiores de una serie de bloques de cátodo de carbón yuxtapuestos, extendiéndose los bloques de cátodo a través de la celda, comprendiendo los bloques de cátodo medios para su conexión a un suministro de corriente eléctrica externo, de manera que la superficie de cátodo con drenaje es dividida en cuadrantes por una ranura de recogida de aluminio en disposición longitudinal a lo largo de la celda, y por un depósito de recogida de aluminio central a través de la celda, quedando inclinados en forma de V pares de cuadrantes a través de la celda, quedando situada dicha ranura de recogida a lo largo del fondo de la estructura de V y dispuesta para la recogida del aluminio fundido que sale por drenaje de la superficie de cátodo con drenaje, evacuándolo al depósito o depósitos de recogida de aluminio durante el funcionamiento de la celda.
Description
Celdas para la electrólisis de aluminio con
cátodo de fondo en forma de V.
La presente invención se refiere a una celda para
la electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta en un
electrólito fundido que contiene fluoruros, que tiene ánodos
metálicos para la generación de oxígeno dirigidos al fondo de la
celda con una superficie de cátodo drenada humectable por aluminio y
un depósito de aluminio, haciendo referencia igualmente a un método
para la producción de aluminio en una celda de electrólisis de
aluminio de este tipo.
La tecnología para la fabricación de aluminio por
electrólisis de alúmina, disuelta en sales que contienen criolita
fundida, a una temperatura de unos 950ºC tiene ya más de cien
años.
Este procedimiento, concedido casi
simultáneamente por Hall y Héroult, no se ha desarrollado en igual
medida que otros procesos electroquímicos, a pesar del gran
crecimiento en la producción total de aluminio que en cincuenta años
ha crecido casi cien veces. El proceso y la celda tienen un diseño
que no ha sufrido grandes cambios ni mejoras y todavía se utilizan
materiales carbonaceos como electrodos y recubrimientos de las
celdas.
Los ánodos se fabrican todavía a base del
material carbonoso y deben ser substituidos a las pocas semanas. La
temperatura de funcionamiento es todavía aproximadamente de 950ºC a
efectos de tener una tasa de disolución de alúmina suficientemente
elevada y una conductividad más elevada del electrólito.
Los ánodos tienen una vida útil muy corta porque
durante la electrólisis el oxígeno que se debe generar en la
superficie del ánodo se combina con el carbono formando CO_{2} y
pequeñas cantidades de CO. El consumo real del ánodo es
aproximadamente de 450 kg/tonelada de aluminio producido, lo que es
más de 1/3 superior a la cantidad teórica.
Otro inconveniente importante, no obstante, es
debido al hecho de que fuerzas electromagnéticas irregulares crean
ondas en el charco de aluminio fundido y la distancia
ánodo-cátodo (ACD), llamada también intersticio
interelectrodos (IEG), se debe mantener en un valor seguro mínimo de
50 mm aproximadamente para evitar cortocircuitos entre el cátodo de
aluminio y el ánodo o la reoxidación del metal por contacto con el
CO_{2} formado en la superficie del ánodo, lo cual conduciría a un
menor rendimiento de la corriente.
La elevada resistencia eléctrica del electrólito,
que es aproximadamente de 0,4 ohm. cm., provoca una caída del
voltaje que presenta por sí sola más del 40% de la caída total del
voltaje con un consumo de energía resultante, que es elevado y
próximo a 13kWh/kgAl en las celdas más modernas. El coste del
consumo de energía ha pasado a ser un elemento incluso más
importante en los costes de fabricación total del aluminio desde la
crisis del petróleo, y ha disminuido la tasa de crecimiento de
producción de este importante metal.
Si bien se ha informado de progresos en la
utilización de cátodos de carbono a los que se han aplicado
recubrimientos o capas de materiales humectables por aluminio que
son también una barrera a la penetración de sodio durante la
electrólisis, se han conseguido muy pocos progresos en el diseño de
cátodos a efectos de mejorar el rendimiento total de la celda, y
también de restringir el movimiento del aluminio fundido a efectos
de reducir el intersticio interelectrodos y la tasa de desgaste de
su superficie.
La patente USA 3.202.600 (Ransley) propuso la
utilización de boruros y carburos refractarios como materiales para
el cátodo, incluyendo un diseño de celda con cátodo con drenaje en
el que un ánodo de carbono consumible en forma de cuña quedaba
suspendido dirigido a un cátodo realizado a base de placas de boruro
o carburo refractario en una configuración de V.
Las patentes USA 3.400.061
(Lewis/Altos/Hilde-
brandt) y 4.602.990 (Boxall/Gamson/Green/Stephen) dan a conocer celdas para electrólisis de aluminio que tienen cátodos con drenaje dotados de pendiente, dispuestos a través de la celda. En estas celdas, el aluminio fundido fluye hacia abajo por los cátodos inclinados a una ranura longitudinal media a lo largo de la parte central de la celda o en ranuras longitudinales laterales a lo largo de los lados de la celda, para recoger el aluminio fundido y suministrarlo a un recogedor o cubeta situado en un extremo de la celda.
brandt) y 4.602.990 (Boxall/Gamson/Green/Stephen) dan a conocer celdas para electrólisis de aluminio que tienen cátodos con drenaje dotados de pendiente, dispuestos a través de la celda. En estas celdas, el aluminio fundido fluye hacia abajo por los cátodos inclinados a una ranura longitudinal media a lo largo de la parte central de la celda o en ranuras longitudinales laterales a lo largo de los lados de la celda, para recoger el aluminio fundido y suministrarlo a un recogedor o cubeta situado en un extremo de la celda.
Al inclinar la superficie activa del cátodo y del
ánodo, el escape de las burbujas de los gases generados queda
facilitado. Además, para disponer un cátodo con una cierta pendiente
y obtener un funcionamiento eficaz de la celda, sería posible
solamente si la superficie del cátodo fuera humectable por aluminio,
de manera que la producción de aluminio tuviera lugar sobre una
lámina de aluminio.
Sólo recientemente ha sido posible recubrir
cátodos de carbono con una emulsión que se adhiere al carbono y que
pasa a ser humectable por aluminio y muy dura cuando la temperatura
alcanza 700-800ºC o mejor
950-1000ºC, tal como se da a conocer en la Patente
USA 5.316.718 (Sekhar/de Nora) y en la patente USA 5.651.874 (de
Nora/Sekar). Estas patentes dieron a conocer el recubrimiento de los
cátodos de las celdas con un boruro refractario aplicado en forma de
emulsión, que se demostró excelente para aplicaciones de cátodos.
Estas publicaciones incluyen una serie de nuevas configuraciones de
cátodos con drenaje, por ejemplo, diseños en los que un cuerpo del
cátodo con superficie superior inclinada del cátodo con drenaje
queda colocada o fijada al fondo de la celda. Otras modificaciones
de diseño en la construcción de la celda pudieron conducir a la
obtención de más de las ventajas potenciales de estos
recubrimientos.
La solicitud de patente europea No. 0 393 816
(Stedman) describe otro diseño para una celda de cátodo con drenaje
destinado a mejorar la evacuación de burbujas. No obstante, la
fabricación de los electrodos con inclinaciones, tal como se
sugiere, resulta difícil. Además, esta configuración de cátodos con
drenaje no puede asegurar una distribución óptima de la alúmina
disuelta.
La patente WO98/53120 (Berclaz/de Nora) da a
conocer una celda dotada de una masa de cátodo soportada sobre una
envolvente o placa de cátodo, teniendo la masa de cátodo forma de V
y poseyendo a lo largo del fondo de la forma de la V un canal
central que se extiende a lo largo de la celda para el drenaje del
aluminio fundido.
La patente USA 5.683.559 (de Nora) dio a conocer
un nuevo diseño de cátodo para un cátodo con drenaje, en el que se
incorporaron ranuras o rebajes en la superficie de bloques que
constituían la superficie del cátodo, a efectos de canalizar el
aluminio producido del drenaje. Una realización específica prevé una
geometría mejorada del ánodo y cátodo con drenaje, según la cual se
produce aluminio entre ánodos y cátodos con forma de V y se recoge
en ranuras dotadas de rebajes. La geometría de la forma de V de los
ánodos posibilita, por una parte, una buena evacuación de las
burbujas desde la parte baja de los ánodos y por otra posibilita el
drenaje del aluminio producido desde la superficie del cátodo
pasando a ranuras rebajadas situadas en el fondo de la forma de
V.
Es un objetivo de la invención dar a conocer una
celda para la electrólisis de aluminio con ánodos para la generación
de oxígeno y poseyendo un fondo de cátodo con drenaje humectable por
aluminio y un depósito para la recogida del aluminio, desde el cual
se extrae el aluminio fundido.
Un objetivo principal de la invención consiste en
dar a conocer una celda para la electrólisis de aluminio que tiene
un cátodo con drenaje humectable por aluminio, que está realizado a
base de bloques convencionales de celda que se pueden montar
fácilmente a posteriori en celdas ya existentes.
Otro objetivo de la invención consiste en dar a
conocer una celda para la electrólisis de aluminio que tiene un
recipiente para la recogida de aluminio del cual se puede extraer el
aluminio sin riesgos de solidificación y en el lugar en el que el
depósito puede ser fácilmente montado a posteriori en celdas ya
existentes.
Otro objetivo de la invención consiste en dar a
conocer un fondo de celda humectable por aluminio para dichas celdas
para la electrólisis de aluminio.
Otro objetivo adicional de la invención consiste
en dar a conocer un método para la producción de aluminio en una
celda para la electrólisis de aluminio dotada de dicho fondo de
celda.
La presente invención da a conocer una celda para
la electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta en un
electrólito fundido que contiene fluoruro. La celda comprende una
serie de ánodos basados en un metal dotados de una estructura
electroquímicamente activa para la generación de oxígeno que tiene
una serie de aberturas pasantes sustancialmente verticales para el
escape de oxígeno gaseoso producido por vía anódica. Las estructuras
de ánodos electroquímicamente activos están dirigidas y separadas
con respecto a una superficie de cátodo con drenaje humectable por
aluminio sobre la que se produce el alumino. La superficie del
cátodo con drenaje está formada a lo largo de la celda por
superficies superiores de una serie de bloques de cátodo de carbón
yuxtapuestos, extendiéndose los bloques de cátodo a través de la
celda, por ejemplo, bloques individuales o pares de bloques extremo
a extremo que se extienden sobre toda la anchura de la superficie
del cátodo con drenaje. Los bloques de cátodo comprenden medios para
conexión a un suministro de corriente eléctrica externo.
De acuerdo con la invención, la superficie de
cátodo con drenaje es dividida en cuadrantes, de manera típica
cuatro cuadrantes, por una ranura de recogida de aluminio
longitudinal, a lo largo de la celda y, como mínimo, por un depósito
de recogida de aluminio en disposición central a través de la celda.
Pares de cuadrantes a través de la celda quedan inclinados en una
disposición de V, quedando situada la ranura de recogida a lo largo
del fondo de la forma de V y dispuesta para la recogida de aluminio
fundido que escapa por drenaje de la superficie del cátodo con
drenaje y pasa al depósito o depósitos de recogida de aluminio
durante el funcionamiento de la celda.
Al disponer el depósito de recogida centralmente
en la celda, el depósito queda protegido contra pérdidas
térmicas.
La celda puede comprender, como mínimo, un bloque
separador basado en carbón que se extiende sobre la celda y que
queda yuxtapuesto entre bloques de cátodo que se extienden a través
de la celda. Una superficie superior del bloque separador comprende
un rebaje central que es más bajo que la ranura de
recogida/evacuación de aluminio y que se extiende substancialmente a
través de la celda formando el mencionado depósito de recogida de
aluminio.
El rebaje central se puede extender entre los
bloques de cátodo yuxtapuestos para formar partes extremas sin
rebajes del bloque separador y paredes laterales yuxtapuestas de los
bloques de cátodo yuxtapuestos del depósito de recogida de aluminio.
No obstante, el depósito puede quedar formado también con rebaje y
exclusivamente con partes laterales y partes extremas sin rebajes
del bloque separador.
Como alternativa a un único bloque separador, un
par de bloques separadores dispuestos extremo a extremo pueden
extenderse a través de la celda para separar los bloques de cátodo
yuxtapuestos antes mencionados. De manera similar, la superficie de
cátodo con drenaje puede también quedar constituida a lo largo de la
celda por superficies superiores de una serie de bloques de cátodo
de carbón yuxtapuestos que se extienden en pares dispuestos extremo
a extremo a través de la celda.
La ranura de recogida de aluminio que divide
longitudinalmente la superficie del cátodo con drenaje se puede
situar por debajo del fondo de los cuadrantes inclinados.
La estructura electroquímicamente activa de los
ánodos basados en metales puede comprender una serie de elementos
horizontales de ánodo, cada uno de los cuales tiene una superficie
electroquímicamente activa sobre la que se genera anódicamente
oxígeno durante la electrólisis. Los elementos de ánodo pueden estar
dispuestos en paralelo conectados, como mínimo, por un travesaño de
conexión o en una disposición concéntrica conectados, como mínimo,
por un elemento de conexión en disposición general radial.
Por ejemplo, los elementos de ánodo de cada ánodo
pueden adoptar una disposición general coplanaria, estando separados
lateralmente para formar aberturas longitudinales de flujo para la
subida del electrólito agotado de alúmina impulsado por el escape
rápido hacia arriba del oxígeno generado anódicamente, y para el
flujo descendente de electrólito rico en alúmina. Los elementos de
ánodo pueden ser cuchillas, barras, varillas o alambres, tal como se
describe en las solicitudes de patente pendientes con las actuales
PCT/IB00/00029 y PCT/IB00/00027 (ambas a nombre de Nora).
Se incluyen entre los materiales apropiados para
los ánodos de generación de oxígeno las aleaciones basadas en hierro
y níquel que pueden ser tratadas térmicamente en una atmósfera
oxidante tal como se da a conocer en las patentes WO00
/06802, WO00/06803 (ambas a nombre de Duruz/
de Nora/Crottaz), WO00/06804 (Crottaz/Duruz),
PCT/IB99/01976 (Duruz/de Nora) y PCT/IB99/01977 (de Nora/Duruz). Otros materiales para ánodo para la generación de oxígeno se dan a conocer en las patentes WO99/36593, WO99/36594, WO00/06801, WO00/06805, PCT/IB00/00028 (todas a nombre de Nora/Duruz), WO00/06800 (Duruz/de Nora), WO99/36591 y WO99/36592 (ambas a nombre de Nora).
/06802, WO00/06803 (ambas a nombre de Duruz/
de Nora/Crottaz), WO00/06804 (Crottaz/Duruz),
PCT/IB99/01976 (Duruz/de Nora) y PCT/IB99/01977 (de Nora/Duruz). Otros materiales para ánodo para la generación de oxígeno se dan a conocer en las patentes WO99/36593, WO99/36594, WO00/06801, WO00/06805, PCT/IB00/00028 (todas a nombre de Nora/Duruz), WO00/06800 (Duruz/de Nora), WO99/36591 y WO99/36592 (ambas a nombre de Nora).
La presente invención se refiere también a un
fondo de celda de una celda para la electrólisis de aluminio a
partir de alúmina disuelta en un electrólito fundido que contiene
fluoruro. El fondo de celda comprende una superficie de cátodo con
drenaje humectable por aluminio sobre la que se produce el aluminio.
La superficie del cátodo con drenaje es formada a lo largo del fondo
de la celda por superficies superiores de una serie de bloques de
cátodo de carbón yuxtapuestos, extendiéndose los bloques de cátodo a
través del fondo de la celda y comprendiendo medios para conexión a
un suministro de corriente eléctrica externa.
La superficie del cátodo con drenaje es dividida
en cuatro cuadrantes por una ranura de recogida de aluminio
longitudinal a lo largo del fondo de la celda y por un depósito de
recogida de aluminio central, a través del fondo de la celda. Pares
de cuadrantes a través del fondo de la celda se encuentran
inclinados en forma de V, estando situada la ranura de recogida a lo
largo del fondo de la forma de V y dispuesta para recoger aluminio
fundido que sale por drenaje de la superficie del cátodo con drenaje
y haciéndolo pasar al recipiente o recipientes de recogida de
aluminio durante el funcionamiento de la celda.
Otro aspecto de la presente invención es un
método para producir aluminio en una celda de electrólisis de
aluminio que tiene ánodos sumergidos en un electrolito fundido
conteniendo alúmina fundida que están dirigidos a un fondo de celda,
tal como se definieron anteriormente. El método comprende la
electrólisis del electrolito fundido que contiene alúmina disuelta
entre los ánodos y la superficie del cátodo con drenaje para
producir gas sobre los ánodos y aluminio fundido sobre la superficie
del cátodo con drenaje; extraer por drenaje el aluminio fundido
producido catódicamente de la superficie catódica con drenaje
pasando a la ranura de recogida/evacuación; y evacuar el aluminio
fundido hacia el recipiente o recipientes de recogida del
aluminio.
El método puede comprender la producción de
oxígeno sobre una estructura de ánodo electroquímicamente activa
basada en un metal y liberar el oxígeno producido a través de
aberturas verticales sustancialmente situadas en la estructura del
ánodo.
El aluminio fundido producido puede ser extraído
intermitentemente del recipiente de recogida del aluminio.
La celda puede funcionar con un electrolito
fundido a una temperatura de 700ºC a 900ºC o 910ºC, en particular
entre 730ºC y 870ºC o 750ºC y 850ºC. No obstante, la célula puede
funcionar también a temperaturas convencionales, es decir, alrededor
de unos 950ºC.
- La figura 1 muestra esquemáticamente una
sección longitudinal de una celda de acuerdo con la invención;
- la figura 2 muestra esquemáticamente una
sección transversal de la celda mostrada en la figura 1,
apreciándose en la parte izquierda una sección a lo largo de la
línea X_{1}-X_{1} y en la parte derecha una
sección transversal según la línea de corte
X_{2}-X_{2}; y
- la figura 3 es una vista en planta esquemática
del fondo de la celda mostrada en la figura 1, mostrándose en la
parte izquierda del fondo de la celda con ánodos en oposición.
Tal como se ha indicado anteriormente, las
figuras 1, 2 y 3 muestran diferentes vistas de una celda según la
invención.
La celda comprende una serie de ánodos (10) que
tienen estructuras activas de generación de oxígeno (11) dotadas de
una serie de aberturas verticales pasantes (13) para el escape del
oxígeno producido anódicamente. Dichos ánodos (10) pueden ser
diseñados tal como se da a conocer en las solicitudes de patente
pendientes con la actual PCT/IB00/00029 y PCT/IB00/00027 (ambas a
nombre de Nora). Tal como se ha mostrado en las figuras 1 y 3, cada
una de las estructuras (11) electroquímicamente activas comprende
una serie de barras de ánodo paralelos (12) en disposición general
coplanaria y separados lateralmente para formar aberturas de flujo
(13) para el electrólito ascendente agotado de alúmina activado por
el escape rápido hacia arriba de oxígeno generado anódicamente y
para el descenso del electrólito rico en alúmina.
Tal como se han mostrado en las figuras 1 y 2,
las estructuras de ánodo (11) están dirigidas una hacia otra y
separadas entre sí con respecto a la superficie de cátodo (21)
dotado de drenaje, humectable por aluminio.
La superficie (21) de cátodo con drenaje está
constituida por superficie superior entre una serie de bloques de
cátodo de carbón yuxtapuestos (20) que se extienden en pares
dispuestos extremo a extremo a través de la célula. De manera
alternativa, la superficie del cátodo con drenaje puede también
quedar realizada a base de superficies superiores de una serie de
bloques de cátodo yuxtapuestos que se extienden individualmente a
través de la celda. Los bloques de cátodo (20) comprenden, embebidas
en el rebaje situado en sus superficies de fondo, barras (22) para
el suministro de corriente realizadas en acero u otro material
conductor para conexión a un suministro externo de corriente
eléctrica.
Los bloques de cátodo (20) están recubiertos
preferentemente con un recubrimiento humectable por aluminio que
proporciona la superficie (21) del cátodo con drenaje, tal como un
recubrimiento de un metal refractario duro humectable por aluminio
(RHM), que tiene poca o ninguna solubilidad en aluminio que tiene
buena resistencia al ataque por criolita fundida. Los RHM
utilizables incluyen boruros de titanio, circonio, tántalo, cromo,
níquel, cobalto, hierro, niobio y/o vanadio. Los materiales útiles
para el cátodo son materiales carbonosos tales como antracita o
grafito.
Son recubrimientos de cátodo con drenaje
preferentes los recubrimientos aplicados en forma de emulsión que se
describen en la patente USA 5.651.874 (de Nora/Sekhar) y
PCT/IB99/01982 (de Nora/Duruz). Por ejemplo, la patente USA
5.651.874 da a conocer un recubrimiento que consiste en partículas
refractarias de un boruro metálico duro en un coloide aplicado,
mediante una emulsión del boruro refractario metálico duro en un
portador coloide, de manera que el coloide comprende, como mínimo,
uno de: alúmina coloidal, sílice, óxido de itrio, óxido de cerio,
óxido de torio, óxido de circonio, óxido de magnesio, óxido de
litio, fosfato de monoaluminio o acetato de cerio. Se ha descubierto
que el portador coloidal mejora considerablemente las
características de recubrimiento producido por sinterizado no
reactivo.
Antes o después de la aplicación del
recubrimiento y antes de la utilización, las superficies superiores
de los componentes pueden ser pintadas, pulverizadas, sumergidas o
infiltradas con reactivos y precursores, geles y/o coloides. Por
ejemplo, antes de aplicar la emulsión los componentes pueden ser
impregnados, por ejemplo, con un compuesto de litio para mejorar la
resistencia a la penetración por el sodio, tal como se describe en
la patente USA 5.378.327
(Sekhar/Zheng/Duruz).
(Sekhar/Zheng/Duruz).
Para ayudar la humectación rápida de la
superficie de cátodo (21) con drenaje por el aluminio fundido, el
recubrimiento refractario puede ser expuesto a aluminio fundido en
presencia de un fundente que ayuda a la penetración del aluminio
dentro del material refractario, comprendiendo el fundente, por
ejemplo, un fluoruro, un cloruro o un borato de, como mínimo, uno
de: litio, sodio y mezclas de los mismos. Este tratamiento favorece
la aluminización del recubrimiento refractario por la penetración en
el mismo del aluminio.
Tal como se ha mostrado en la figura 3 y de
acuerdo con la invención, la superficie del cátodo (21) con drenaje
es divida en cuatro cuadrantes separados (25) por medio de una
ranura de recogida de aluminio (26) a lo largo de la celda y por un
depósito de recogida de aluminio (32) en disposición central a
través de la celda.
El depósito (32) para la recogida de aluminio
está formado por un rebaje central (31) en superficies superiores de
un par de bloques separadores (30) dispuestos extremo a extremo a
través de la celda, siendo el rebaje (31) más bajo que las ranuras
(26) de evacuación de aluminio. De manera alternativa, el rebaje
central (31) puede también quedar formado en una superficie superior
de un único bloque separador (30) que se extiende a través de la
celda.
Los bloques separadores (30) están separados
entre sí y yuxtapuestos entre dos pares de bloques de cátodo (20),
quedando dispuesto cada par extremo a extremo a través de la celda
tal como se ha descrito anteriormente.
El rebaje central (31) de los bloques separadores
(30) se extiende entre los bloques de cátodo yuxtapuestos (20) para
formar con los extremos no rebajados (33) de los bloques separadores
(30), tal como se ha mostrado en el lado derecho de la figura 2, y
con paredes laterales yuxtapuestas (23) de los bloques (20) de
cátodo yuxtapuestos, tal como se ha mostrado en la figura 1, el
depósito (32) de recogida de aluminio.
Tal como se ha mostrado en la figura 2, pares de
cátodos (25) a través de la celda están inclinados en forma de V.
Por lo tanto, la superficie superior de cada bloque de cátodo (20)
puede ser mecanizada en una rampa única a lo largo del bloque (20)
para conseguir una configuración en V por disposición con un
correspondiente bloque de cátodo (20) extremo a extremo a través de
la celda, tal como se ha mostrado en la figura 2.
La superficie de cátodo con drenaje (21)
comprende a lo largo del fondo de la ranura en forma de V la ranura
de recogida (26). Esta ranura (26) puede ser horizontalmente tal
como se ha mostrado en la figura 1 o, alternativamente, puede formar
una ligera pendiente hacia abajo, hacia el recipiente (32) de
recogida de aluminio, para facilitar la evacuación de aluminio
fundido.
De manera similar a los bloques de cátodo (20),
los bloques separadores (30) pueden quedar también realizados por
mecanización de la superficie superior de los bloques de carbón. No
obstante, en contraste con los bloques de cátodo (20), no es
necesario conectar los bloques separadores (30) a un suministro de
corriente negativa.
En el funcionamiento de la celda mostrada en las
figuras 1 y 2, la alúmina disuelta en un electrólito fundido (40) a
una temperatura de 730ºC a 960ºC contenida en la celda es sometida a
electrólisis entre los ánodos (10) y los bloques de cátodo (20) para
producir oxígeno sobre la estructura activa (11) de los ánodos (10)
y aluminio fundido sobre la superficie (21) del cátodo con drenaje
humectable por aluminio.
Tal como se ha mostrado en la figura 3, el
aluminio fundido producido catódicamente fluye de forma descendente
por la superficie (21) del cátodo con drenaje inclinada de los
cuadrantes (25), pasando a las ranuras de recogida de aluminio (26),
tal como se ha indicado por las flechas (45). De las ranuras de
recogida (26), el aluminio fundido producido pasa hacia dentro del
depósito central (32) de recogida de aluminio, tal como se ha
indicado por las flechas (46), donde se recoge y se acumula para su
extracción intermitente.
Si bien la invención se ha descrito en relación
con realización específica de la misma, es evidente que se
observarán muchas alternativas, modificaciones, y variaciones por
los técnicos de la materia a la luz de la descripción anterior. De
acuerdo con ello, se desea abarcar la totalidad de dichas
alternativas, modificaciones y variaciones que se encuentran dentro
del ámbito de las reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, la celda puede tener más de un
depósito de recogida de aluminio a través de la misma, cortando cada
uno de ellos la ranura de recogida de aluminio para dividir la
superficie del cátodo con drenaje en cuatro cuadrantes. Por ejemplo,
la superficie del cátodo con drenaje puede ser dividida en tres
pares de cuadrantes a través de la celda mediante dos depósitos de
recogida de aluminio separados entre sí a través de la celda que se
cortan con la ranura de recogida de aluminio a lo largo de la celda.
Cada uno de los depósitos de recogida de aluminio coopera con dos
pares de cuadrantes a través de la celda (un par a cada lado),
siendo lo común a ambos depósitos el par central de cuadrantes entre
los depósitos de recogida de aluminio.
Claims (23)
1. Celda para la electrólisis de aluminio a
partir de alúmina disuelta en un electrólito fundido que contiene
fluoruros, que comprende una serie de ánodos basados en metal,
dotados de estructuras activas electroquímicamente para la
generación de oxígeno, poseyendo una serie de aberturas verticales
sustancialmente de tipo pasante, para el escape del oxígeno gaseoso
producido anódicamente, dirigiéndose las estructuras
electroquímicamente activas a una superficie de cátodo con drenaje
humectable por aluminio y estando separadas de la misma, sobre cuya
superficie de cátodo se produce aluminio, estando constituida la
superficie de cátodo con drenaje a lo largo de la celda por
superficies superiores de una serie de bloques de cátodo de carbón
yuxtapuestos, extendiéndose los bloques de cátodo a través de la
celda, comprendiendo los bloques de cátodo medios para su conexión a
un suministro de corriente eléctrica externo, de manera que la
superficie de cátodo con drenaje es dividida en cuadrantes por una
ranura de recogida de aluminio en disposición longitudinal a lo
largo de la celda, y por un depósito de recogida de aluminio central
a través de la celda, quedando inclinados en forma de V pares de
cuadrantes a través de la celda, quedando situada dicha ranura de
recogida a lo largo del fondo de la estructura de V y dispuesta para
la recogida del aluminio fundido que sale por drenaje de la
superficie de cátodo con drenaje, evacuándolo al depósito o
depósitos de recogida de aluminio durante el funcionamiento de la
celda.
2. Celda, según la reivindicación 1, que
comprende, como mínimo, un bloque separador basado en carbón que se
extiende a través de la celda que separa los bloques de cátodo y que
está yuxtapuesto con aquellos, extendiéndose a través de la celda,
una o varias superficies superiores del bloque o bloques
separadores, comprendiendo un rebaje central que es más bajo que la
ranura de recogida de aluminio y que se extiende sustancialmente a
través de la celda, formando dicho recipiente de recogida de
aluminio central.
3. Celda, según la reivindicación 2, en la que
dicho rebaje central se extiende entre dichos bloques de cátodo
yuxtapuestos para formar con paredes laterales yuxtapuestas de los
mismos dicho recipiente de recogida de aluminio central.
4. Celda, según la reivindicación 2 ó 3, en la
que un par de bloques separadores dispuestos de extremo a extremo
se extiende a través de la celda entre dichos bloques de cátodo
yuxtapuestos.
5. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la superficie de cátodo con
drenaje queda constituida a lo largo de la celda por superficies
superiores de una serie de bloques de cátodo de carbón yuxtapuestos
que se extienden en pares dispuestos de extremo a extremo a través
de la celda.
6. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la ranura de recogida de
aluminio está situada por debajo del fondo de los cuadrantes
inclinados.
7. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la estructura
electroquímicamente activa de los ánodos basados en metal comprende
una serie de elementos de ánodo, cada uno de los cuales tiene una
superficie electroquímicamente activa sobre la que se genera
anódicamente oxígeno durante la electrólisis.
8. Celda, según la reivindicación 7, en la que
los elementos de ánodo se encuentran en disposición en paralelo
conectados, como mínimo, por un elemento transversal de
conexión.
9. Celda, según la reivindicación 7, en la que
los elementos de ánodo se encuentran en disposición concéntrica
conectados, como mínimo, por un elemento de conexión en disposición
general radial.
10. Celda, según la reivindicación 8 ó 9, en la
que las superficies electroquímicamente activas de los elementos de
ánodo en cada ánodo se encuentran en la disposición general
coplanaria y separadas lateralmente para formar aberturas
longitudinales de paso de flujo para el flujo ascendente del
electrólito agotado de alúmina impulsado por el escape rápido
ascendente del oxígeno generado anódicamente y para el flujo
descendente del electrólito rico en alúmina.
11. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 10, en la que los elementos de ánodo en cada
ánodo son cuchillas.
12.Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 10, en la que los elementos de ánodo de cada
ánodo son barras, varillas o alambres.
13. Fondo de celda de una celda para la
electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta en un
electrólito fundido que contiene fluoruro, que comprende una
superficie de cátodo con drenaje humectable por aluminio sobre la
que se produce aluminio, estando formada la superficie de cátodo con
drenaje a lo largo del fondo de la celda por superficies superiores
de una serie de bloques de cátodo de carbón yuxtapuestos,
extendiéndose los bloques de cátodo a través del fondo de la celda,
comprendiendo los bloques de cátodo medios para conexión a un
suministro de corriente eléctrica externa, en la que la superficie
de cátodo con drenaje es dividida en cuadrantes por una ranura de
recogida de aluminio longitudinal a lo largo del fondo de la celda y
por un depósito de recogida de aluminio central a través del fondo
de la celda, quedando dispuestos pares de cuadrantes a través del
fondo de la celda en disposición de V, estando situada dicha ranura
de recogida a lo largo del fondo de la estructura en V y dispuesta
para la recogida de aluminio fundido que sale por drenaje de la
superficie de cátodo con drenaje y para evacuarlo al depósito o
depósitos de recogida de aluminio durante el funcionamiento de la
celda.
14. Fondo de celda, según la reivindicación 13,
que comprende, como mínimo, un bloque separador basado en carbono
que se extiende a través del fondo de la celda que separa los
bloques de cátodo que se extienden a través de la celda y que se
yuxtapone a los mismos, comprendiendo una o varias superficies
superiores del bloque o bloques separadores un rebaje central que es
más bajo que la ranura de recogida de aluminio y que se prolonga
sustancialmente a través de la celda para formar dicho depósito
central de recogida de aluminio.
15. Fondo de celda, según la reivindicación 14,
en el que dicho rebaje central se extiende entre dichos bloques de
cátodo yuxtapuestos para formar con paredes laterales yuxtapuestas
de los mismos dicho depósito central de recogida de aluminio.
16. Fondo de celda, según la reivindicación 14 ó
15, en el que un par de bloques separadores dispuestos de extremo a
extremo se extiende a través del fondo de la celda para separar
dichos bloques de cátodo yuxtapuestos.
17. Fondo de celda, según cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 16, en el que la superficie de cátodo con
drenaje es formada a lo largo del fondo de celda por superficies
superiores en una serie de bloques de cátodo de carbono yuxtapuestos
que se extienden en pares dispuestos de extremo a extremo a través
del fondo de la celda.
18. Fondo de la celda, según cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 17, en el que la ranura de recogida de
aluminio está situada por debajo del fondo de los cuadrantes
inclinados.
19. Método para la producción de aluminio en una
celda de electrólisis de aluminio que tiene ánodos sumergidos en un
electrólito fundido que contiene alúmina disuelta, y que está
dirigido a un fondo de celda definido, según cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 18, que comprende la superficie de cátodo con
drenaje humectable por aluminio que está formada por superficies
superiores de una serie de bloques de cátodo y que está dividida en
cuadrantes por una ranura longitudinal de recogida de aluminio a lo
largo de la celda, y por un depósito central de recogida de aluminio
a través de la celda, pares de cuadrantes a través de la celda
inclinados en forma de V, estando situada la ranura de recogida a lo
largo del fondo de la forma de V, comprendiendo el método la
electrólisis del electrólito que contiene alúmina disuelta entre los
ánodos y la superficie de cátodo con drenaje para producir gas en
los ánodos y aluminio fundido sobre la superficie del cátodo con
drenaje; efectuando el drenaje del aluminio fundido producido
catódicamente desde la superficie del cátodo con drenaje pasando a
la ranura de recogida y evacuando el aluminio fundido al depósito o
depósitos de recogida de aluminio.
20. Método, según la reivindicación 19, que
comprende la producción de oxígeno sobre una estructura de ánodo
electroquímicamente activa basada en un metal y la liberación del
oxígeno producido a través de aberturas sustancialmente verticales
de tipo pasante situadas en la estructura del ánodo.
21. Método, según la reivindicación 19 ó 20, que
comprende la extracción intermitente del aluminio producido del
depósito de recogida de aluminio.
22. Método, según la reivindicación 19, 20 ó 21,
en la que la celda funciona con un electrólito fundido a una
temperatura de 700ºC a 910ºC.
23. Método, según la reivindicación 22, en el que
la celda funciona con un electrólito fundido a una temperatura de
730ºC a 870ºC.
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