ES2206175T3 - Celda electrolitica con suministro de alumina mejorado. - Google Patents
Celda electrolitica con suministro de alumina mejorado.Info
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Abstract
Celda electrolítica para la fabricación electrolítica de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrolito fundido, sin costra, que contiene fluoruro, térmicamente aislante, que comprende una estructura de ánodo metálico dotado de orificios, electroquímicamente activo, para la generación de oxígeno y escape del oxígeno generado a través del mismo, y que está separado por un intersticio entre electrodos por encima de un cátodo dispuesto en oposición sobre el que se produce aluminio durante el funcionamiento, comprendiendo además la celda medios para favorecer la disolución de la alúmina en polvo alimentada a la superficie del electrolito y para suministrar electrolito rico en alúmina al intersticio entre electrodos al inducir circulación de electrolito ascendente desde el intersticio entre electrodos y descendente hacia dicho intersticio entre electrodos producido por el escape del oxígeno generado anódicamente a través de la estructura de ánodo dotado de orificios, comprendiendo dichos medios unos elementos de guía de electrolito que tienen como mínimo una superficie inclinada sumergida en el electrolito fundido por encima de la estructura de ánodo dotada de orificios.
Description
Celda electrolítica con suministro de alúmina
mejorado.
La presente invención se refiere a una celda para
la electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta en un
electrolito fundido que contiene fluoruro, tal como criolita,
poseyendo medios para favorecer la disolución de alúmina en el
electrolito y para suministrar el electrolito rico en alúmina al
intersticio entre electrodos, refiriéndose también a un ánodo
metálico de diseño especial para dicha celda dotado de dichos medios
y a un método para producir aluminio utilizando esta celda.
La tecnología para la fabricación de aluminio por
electrólisis de alúmina, disuelta en criolita fundida, a una
temperatura de 950ºC, tiene una antigüedad superior a cien años.
Este proceso fue concebido casi simultáneamente
por Hall y Héroult, y no ha evolucionado tanto como muchos otros
procesos electroquímicos.
Un inconveniente importante de las celdas
convencionales es debido al hecho de que las fuerzas
electromagnéticas irregulares crean ondas en el charco de aluminio
fundido y la distancia ánodo-cátodo (ACD), llamada
también intersticio entre electrodos (IEG), se debe mantener en un
valor mínimo de seguridad de unos 5 cm aproximadamente, para evitar
cortocircuitos entre el cátodo de aluminio y el ánodo o la
reoxidación del metal por contacto con el gas CO_{2} formado en la
superficie del ánodo.
Otro inconveniente de las celdas convencionales
es el efecto de ánodo que tiene lugar cuando el electrolito de la
celda contiene una distribución de electrolito rico en alúmina
insuficiente disuelto y/o no uniforme por debajo de la superficie
activa de los ánodos, y por lo tanto permite la electrólisis del
electrolito basado en fluoruros con lo cual produce flúor y gases
basados en flúor. Los gases basados en flúor se acumulan debajo de
los ánodos e inhiben notablemente el transporte de corriente entre
los ánodos y los cátodos. Por esta razón, el efecto de ánodo se
manifiesta en un incremento brusco del voltaje de la celda. El
incremento del voltaje puede variar de 7-8 voltios
hasta 30 voltios en celdas comerciales.
La Patente U.S.A. 4.602.990 (Boxall/Gamson/
Green/Traugott) describe una celda de cátodo con drenaje que tiene
una circulación de baño generada por burbujas; no obstante, este
diseño no puede conseguir el voltaje constante esperado. La
reducción ACD estaba unida a una reducción no deseable de la
conductividad eléctrica del baño provocada por el incremento de
burbujas de gas en el electrolito reducido entre los cátodos con
drenaje y los ánodos.
La solicitud de Patente Europea Nº 0 393 816
(Stedman) describe otro diseño para una celda de cátodo con drenaje
que mejora la evacuación de burbujas. No obstante, esta
configuración de cátodo con drenaje no puede asegurar una
distribución óptima de la alúmina disuelta. La mayor parte de la
alúmina es sometida a electrólisis sobre las partes de los cátodos
próximas al punto de disolución, mientras que las partes alejadas de
los cátodos reciben una alimentación poco satisfactoria de alúmina.
Esto es debido al agotamiento gradual de la concentración de alúmina
en el electrolito, mientras el electrolito se desplaza entre los
electrodos donde tiene lugar la electrólisis. Esta insuficiente
distribución de alúmina disuelta puede provocar la exposición de la
celda al efecto de ánodo, consumo irregular de los electrodos y una
utilización poco óptima de las superficies del cátodo, lo cual
conduce a la disminución de la eficacia de la corriente y del
rendimiento de la celda.
La Patente U.S.A. 4.504.369 (Keller) da a conocer
un ánodo que comprende un ánodo macizo basado en óxido que tiene una
abertura pasante vertical central para alimentar constituyentes del
ánodo y alúmina al electrolito. No obstante, este diseño de la celda
no soluciona el problema de la disolución y distribución de alúmina
disuelta entre ánodos y cátodos enfrentados.
La Patente U.S.A. 4.681.671 (Duruz) da a conocer
una celda de electrólisis de aluminio a baja temperatura con una
serie de placas de ánodo verticales o placas verticales situadas por
encima de una placa de cátodo perforada horizontal y una circulación
de electrolito generada por medio de una bomba o fuerzas
electromotrices.
La Patente U.S.A. 5.310.476 (Sekhar/de Nora)
describe celdas para electrólisis de aluminio, que tienen bloques de
cátodo de forma acuñada y ánodos generadores de oxígeno realizados a
base de placas de ánodo que presentan unos techos similares sobre
las cuñas. Las placas de ánodo están unidas entre sí y tienen
aberturas adyacentes a la parte superior de sus caras inclinadas
para el escape del oxígeno generado anódicamente.
La Patente U.S.A. 5.368.702 (de Nora) da a
conocer diseños que incluyen ánodos para la generación de oxígeno
cónicos o verticales situados en el interior y dirigidos a cátodos
conformados de manera correspondiente. Los tubos y las superficies
cónicas que forman los ánodos tienen aberturas laterales que guían
el escape de oxígeno liberado anódicamente para generar un flujo de
electrolito entre los ánodos y los cátodos en oposición.
En la celda descrita en la Patente U.S.A.
5.683.559 (de Nora) unas placas de ánodo generadoras de oxígeno
curvadas están dirigidas a una serie de superficies de cátodo
yuxtapuestas en forma de V. La inclinación de los ánodos ayuda a
liberar los gases formados anódicamente a través de una abertura
central. Se ha sugerido aumentar la liberación de gas al disponer
nervios en los ánodos o haciendo que éstos presenten orificios.
La Patente U.S.A. 5.725.744 (de Nora/Duruz)
describe una celda de electrólisis de aluminio multimonopolar que
funciona a temperatura reducida con placas verticales o inclinadas
de ánodo y cátodo, haciéndose circular electrolito entre las placas
de ánodo y cátodo por medio de impulso de oxígeno generado
anódicamente.
La Patente U.S.A. 5.938.914 (Dawless/ LaCamera/
Troup/Ray/Hosler), de 17 de agosto de 1999, describe una celda de
electrólisis de aluminio que tiene ánodos verticales inertes
interpuestos con cátodos verticales. Los ánodos están cubiertos con
un techo en ángulo que desvía las burbujas de oxígeno generadas
anódicamente para agitar el electrolito fundido de la celda a
efectos de mejorar la disolución de alúmina.
Si bien las referencias anteriores indican los
esfuerzos continuados por mejorar el funcionamiento de las celdas de
electrólisis de aluminio utilizando ánodos generadores de oxígeno,
ninguna de ellas ha encontrado todavía ninguna aceptación
comercial.
Es un objetivo de la presente invención dar a
conocer una celda para la obtención electrolítica de aluminio, con
ánodos metálicos que funcionan con charco estabilizado de aluminio o
en una configuración con drenaje, poseyendo medios para favorecer la
disolución de la alúmina añadida al electrolito y para suministrar
electrolito rico en alúmina al intersticio entre electrodos en el
que tiene lugar la electrólisis.
Otro objetivo de la invención consiste en dar a
conocer un ánodo de una celda para la electrólisis de aluminio cuyo
diseño favorece la disolución de alúmina y el suministro de
electrolito rico en alúmina entre las superficies
electroquímicamente activas del ánodo y de un cátodo enfrentado.
Un objetivo importante de la presente invención
consiste en dar a conocer medios para la disolución de la alúmina
alimentada a una celda aislada térmicamente al alimentar una alúmina
en polvo dispersante sobre el electrolito sin formar costra.
Otro objetivo de la presente invención consiste
en dar a conocer una celda para la electrólisis de aluminio que
tiene medios mejorados para guiar el escape de los gases producidos
anódicamente, en particular oxígeno, para generar circulación de
electrolito entre el intersticio entre electrodos y la superficie de
electrolito de la celda, permitiendo de esta manera el incremento de
la disolución de alúmina.
La presente invención se refiere a una celda
electrolítica para la obtención electrolítica de aluminio a partir
de alúmina disuelta en un electrolito fundido sin costra, que
contiene fluoruro, aislado térmicamente. La celda comprende una
estructura de ánodo metálico con orificios, electroquímicamente
activo, para la generación de oxígeno y escape de oxígeno a través
de la misma, cuyo ánodo queda separado por medio de un intersticio
entre electrodos por encima de un cátodo dispuesto en oposición
sobre el que se produce aluminio durante el funcionamiento. La celda
comprende además medios para ayudar a la disolución de la alúmina en
polvo alimentada la superficie del electrolito y para suministrar un
electrolito rico en alúmina al intersticio entre electrodos al
inducir circulación de electrolito desde arriba y desde abajo del
intersticio entre electrodos activado por el escape del oxígeno
generado anódicamente a través de la estructura de ánodo con
orificios. Estos medios comprenden elementos de guía del electrolito
que tienen como mínimo una superficie inclinada sumergida en el
electrolito fundido por encima de la estructura del ánodo dotado de
orificios.
Los elementos de guía del electrolito pueden
comprender superficies inclinadas dirigidas hacia abajo que guían un
flujo descendente de electrolito rico en alúmina al intersticio
entre electrodos y/o superficies convergentes hacia arriba que guían
un flujo ascendente de electrolito agotado en alúmina desde el
intersticio entre electrodos, activadas por el oxígeno generado
anódicamente.
Preferentemente, para impedir la formación de una
costra de electrolito sobre la superficie del electolitro fundido,
la celda comprende medios para aislar térmicamente la superficie del
electrolito, tal como una cubierta de aislamiento por encima del
electrolito tal como se describe en la solicitud pendiente con la
actual WO99/02763 (de Nora/Sekhar).
Usualmente, el ánodo con orificios y el cátodo
enfrentado son horizontales o forman una pendiente en
correspondencia, típicamente en un ángulo por debajo de 60º.
Los elementos de guía del electrolito pueden
estar adaptados para la readaptación de celdas, en particular celdas
Hall Héroult dotadas de ánodos metálicos con orificios de estructura
apropiada. Los elementos de guía del electrolito se pueden utilizar
en celdas que operan con un charcho profundo, poco profundo o
estabilizado de aluminio, o en una configuración con drenaje, tal
como, por ejemplo, se describe en las Patentes U.S.A. 5.683.130 (de
Nora), WO99/02764 y WO99/41429 (ambas a nombre de Nora/Duruz).
Una importante característica de las celdas con
charco profundo readaptadas es que los medios para favorecer la
disolución de la alúmina conducen a un funcionamiento de la celda
que tiene muchas de las ventajas asociadas con la configuración de
cátodo con drenaje.
Los elementos de guía del electrolito pueden
comprender secciones paralelas verticales que se extienden desde la
parte baja de la superficie inclinada a la estructura de ánodo con
orificios y/o de la parte superior de las superficies inclinadas
hasta las proximidades de la superficie del electrolito.
El extremo inferior de cada elemento de guía de
electrolito se puede extender hacia arriba desde la estructura de
ánodo con orificios. En caso necesario, los extremos inferiores de
los elementos de guía del electrolito pueden quedar separados entre
sí por encima del ánodo o ánodos para permitir que el electrolito
rico en alúmina pueda pasar hacia abajo desde los extremos
inferiores de los elementos de guía de electrolito para su
dispersión horizontal por el oxígeno que fluye de forma ascendente,
generado anódicamente. En este caso, una parte o la totalidad del
electrolito puede entrar en el intersticio entre electrolitos al
pasar alrededor de la estructura del electrodo.
Los elementos de guía del electrolito pueden
estar situados con respecto a la superficie del electrolito de
manera que el oxígeno generado anódicamente que fluye de forma
ascendente genera turbulencia por encima de los elementos de guía
del electrolito, aumentando la disolución de la alúmina. El extremo
superior de cada uno de los elementos de guía del electrolito puede
estar sumergido en el electrolito no más de 5 cm por debajo de la
superficie del mismo.
Según una realización, los elementos de guía del
electrolito consisten en una serie de deflectores paralelos a la
superficie del electrolito. Los deflectores están dispuestos en
configuración paralela con separación entre sí e inclinación
lateral, para formar pares alternados de superficies convergentes
dirigidas hacia arriba y superficies convergentes dirigidas hacia
abajo.
De manera alternativa, los elementos de guía del
electrolito pueden formar una serie de chimeneas que pueden adoptar
forma de conos truncados o pirámides truncadas.
La estructura de ánodo metálico con orificios
puede comprender una serie de elementos de ánodo electroquímicamente
activos, coplanarios y separados entre sí, por ejemplo, paletas,
barras, varillas o alambres separados entre sí.
Cada una de dichas paletas, barras, varillas o
alambre puede tener forma general rectilínea o, de manera
alternativa, en disposición general concéntrica, cada una de dichas
paletas, barras, varillas o alambre puede formar un bucle para
minimizar los efectos de bordes de la corriente durante la
utilización. Por ejemplo, cada una de dichas paletas, barra, varilla
o alambre puede tener en general una forma circular, oval o
poligonal, en particular rectangular o cuadrada, preferentemente con
esquinas redondeadas.
Los elementos de ánodo paralelos deben estar
conectados entre sí, por ejemplo, en forma de rejilla, forma de red
o de malla de los elementos de ánodo. Para evitar efectos de bordes
de la corriente, los extremos de los elementos de ánodos se pueden
conectar entre sí, por ejemplo, se pueden disponer de forma que se
extienden a través de un armazón de ánodo periférico de forma
general rectangular desde un lado al lado opuesto del bastidor.
De manera alternativa, los elementos de ánodo
pueden estar conectados transversalmente como mínimo en un elemento
de conexión transversal. Posiblemente, los elementos de ánodo están
conectados por una serie de elementos de conexión transversales que
se encuentran a su vez conectados entre sí por uno o varios
elementos transversales. Para configuraciones en bucle concéntrico,
los elementos de conexión transversal pueden ser radiales. En este
caso, los elementos de conexión radiales se extienden radialmente
desde la parte media del ánodo paralelo y opcionalmente están
fijados o forman una sola pieza con un anillo externo en la
periferia de esta disposición.
De modo ventajoso, los elementos de conexión
transversales tienen sección variable para asegurar una densidad de
corriente sustancialmente igual en los elementos de conexión antes y
después de cada conexión a un elemento de ánodo. Esto también es
aplicable al elemento transversal, cuando existe.
Usualmente, cada ánodo metálico comprende como
mínimo un colector de corriente vertical dispuesto para su conexión
a una barra bus positiva. Este colector de corriente está conectado
mecánica y eléctricamente a uno o varios elementos de conexión
transversales o uno o varios elementos transversales que conectan
una serie de elementos de conexión transversales, de manera que el
colector de corriente lleva corriente eléctrica a los elementos de
ánodo pasando por los elementos transversales de conexión y, en caso
de que existan, a través de los elementos transversales. Cuando no
hay elementos de conexión transversales, el colector de corriente
vertical está conectado directamente a los elementos de ánodo que
están dispuestos en una configuración de rejilla, de red o de
malla.
Estos colectores de corriente, elementos de
ánodo, elementos de conexión transversal y, en caso de que existan,
elementos transversales pueden estar unidos entre sí, por ejemplo,
por su moldeo de forma unitaria. También es posible su montaje por
soldadura u otro tipo de conexión mecánica.
De manera similar, los elementos de guía de los
electrolitos pueden ser fijados entre sí, por ejemplo, por su moldeo
de forma unitaria, soldadura o utilizando medios de conexión
mecánica para formar un conjunto. Ese conjunto se puede conectar al
colector de corriente vertical o se puede fijar o situar sobre la
estructura de ánodo dotada de orificios.
Habitualmente, la estructura de ánodo con
orificios y el cátodo enfrentado son horizontales o se encuentran
con la pendiente correspondiente.
Los cátodos de la celda son preferentemente
humectables por el aluminio, en particular pueden tener
configuración de drenaje, por ejemplo, con una superficie inclinada,
tal como se ha indicado anteriormente.
La presente invención se refiere también a un
ánodo generador de oxígeno de una celda electrolítica tal como se ha
descrito anteriormente. El ánodo comprende una estructura metálica
dotada de orificios, electroquímicamente activa, para la generación
de oxígeno que, durante el funcionamiento, queda sumergida en el
electrolito y espaciada por un intersticio entre electrodos por
encima de un cátodo dispuesto en oposición sobre el que se produce
el aluminio. El ánodo comprende además medios dispuestos para
favorecer la disolución del polvo de alúmina alimentado a la
superficie del electrolito y para el suministro del electrolito rico
en alúmina al intersticio entre electrodos durante el
funcionamiento, tal como se ha descrito anteriormente.
Otro aspecto adicional de la invención consiste
en un método para la producción de aluminio en una celda tal como se
ha descrito anteriormente. El método comprende la disolución de
alúmina en el electrolito por alimentación de la alúmina en forma de
polvo en el electrolito fundido sin costra desde la parte superior
de los elementos de guía del electrolito, y hacer pasar una
corriente iónica entre la estructura del ánodo dotado de orificios
de tipo activo y el cátodo dirigido hacia el mismo, llevando a cabo
de esta manera electrólisis en el intersticio entre electrodos para
producir aluminio sobre el cátodo y oxígeno sobre la estructura del
ánodo dotada de orificios. Los medios para favorecer la disolución
del polvo de alúmina y para suministrar electrolito rico en alúmina
al intersticio entre electrodos están dispuestos para inducir una
circulación de electrolito hacia arriba y hacia abajo hacia el
intersticio entre electrodos activando el escape del oxígeno de
evolución en el ánodo a través de la estructura del ánodo dotada de
orificios.
Otro aspecto de la invención se refiere a una
celda electrolítica para la fabricación electrolítica de aluminio a
partir de alúmina disuelta en un electrolito fundido sin costra que
contiene fluoruro, térmicamente aislado. La celda comprende un ánodo
metálico dotado de orificios electroquímicamente activo para la
evolución de oxígeno y que está separado por un intersticio entre
electrodos por encima de un cátodo dispuesto en oposición sobre el
que se produce aluminio durante el funcionamiento. La celda
comprende además medios para favorecer la disolución de polvo de
alúmina alimentado en la superficie del electrolito y para
distribuir y alimentar de manera uniforme electrolito rico en
alúmina a través de la estructura dotada de orificios al intersticio
entre electrodos. Estos medios comprenden elementos de guía de
electrolito que están dispuestos en el electrolito por encima de la
estructura del ánodo dotada de orificios. Los elementos de guía del
electrolito comprenden superficies convergentes dirigidas hacia
abajo, sumergidas en el electrolito, que están dispuestas para
favorecer la disolución de la alúmina alimentada por encima de sus
superficies convergentes hacia abajo; y alimentar electrolito rico
en alúmina en sentido descendente a través de sus superficies
convergentes dirigidas hacia abajo y a través de la estructura
dotada de orificios al intersticio entre electrodos.
Otro aspecto adicional de la presente invención
se refiere a una celda electrolítica para la fabricación
electrolítica de aluminio a partir de alúmina disuelta en un
electrolito fundido, sin costra, que contiene fluoruro, aislado
térmicamente. La celda comprende una estructura de ánodo metálica,
dotada de orificios, electroquímicamente activa, para la generación
de oxígeno y que está separada por un intersticio entre electrodos
por encima de un cátodo dispuesto en oposición sobre el que se
produce aluminio durante el funcionamiento. La celda comprende
además medios para favorecer la disolución de alúmina en polvo
alimentado en la superficie del electrolito y para distribuir de
manera uniforme y alimentar electrolito rico en alúmina a través y/o
alrededor de la estructura dotada de orificios hacia el intersticio
entre electrodos. Estos medios comprenden elementos de guía de
electrolito que están situados en el electrolito por encima de la
estructura de ánodo dotada de orificios. Los elementos de guía del
electrolito comprenden superficies convergentes hacia arriba
sumergidas en el electrolito, que están dispuestas para guiar un
flujo ascendente del electrolito agotado de alúmina, impulsado por
el oxígeno generado en el ánodo que escapa a través de la estructura
perforada del ánodo para favorecer la disolución de la alúmina
alimentada por encima de sus superficies convergentes en sentido
ascendente, y alimentar electrolito rico en alúmina en sentido
descendente a través y/o alrededor de la estructura de ánodo dotada
de orificios hacia el intersticio entre electrodos.
Las estructuras de ánodo metálicas, dotadas de
orificios y/o los elementos de guía de electrolito de la presente
invención pueden consistir de un material basado en óxido de hierro
o pueden estar recubiertas con el mismo, obtenido posiblemente por
oxidación de la superficie del substrato de una estructura de ánodo
dotada de orificios y/o elementos de guía de electrolito que
contienen hierro. Se describen ejemplos de materiales adecuados de
manera más detallada en las solicitudes pendientes con la actual WO
00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/40783 (de Nora/Duruz), WO
00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO
01/42534 (de Nora/Duruz) y WO 01/42535 (Duruz/de Nora).
En los procesos conocidos, incluso el material de
ánodo menos soluble libera cantidades excesivas de componentes
dentro del baño, lo que conduce a una contaminación excesiva del
aluminio producido. Por ejemplo, la concentración de níquel (un
componente frecuente de los ánodos basados en metal), que se
encuentra en el aluminio producido en pruebas a pequeña escala a
temperaturas operativas convenientes de la celda, está comprendida
de manera típica entre 800 y 2000 ppm, es decir, de 4 a 10 veces el
nivel aceptable máximo que es de 200 ppm.
Los óxidos de hierro y, en particular, la
hematita (Fe_{2}O_{3}), tienen una solubilidad más elevada que
el níquel en el electrolito fundido. No obstante, en la producción
industrial, la tolerancia de contaminación del aluminio producido
por óxidos de hierro es asimismo mucho más elevada (hasta 2000 ppm)
que para otras impurezas metálicas.
La solubilidad es una característica intrínseca
de los materiales de ánodo y no se puede cambiar de otro modo que
por modificación de la composición del electrolito y/o la
temperatura de funcionamiento de la celda.
Pruebas en pequeña escala utilizando un ánodo
cermet de NiFe_{2}O_{4}/Cu y funcionando en condiciones estables
fueron llevadas a cabo para establecer la concentración de hierro en
electrolito fundido y en el aluminio producido en diferentes
condiciones operativas.
En el caso del óxido de hierro, se ha descubierto
que al reducir la temperatura del electrolito disminuye
considerablemente la solubilidad de las especies o tipos de hierro.
Este efecto puede ser explotado de manera sorprendente para producir
un impacto mayor en el funcionamiento de la celda al limitar la
contaminación por el hierro del aluminio producido.
Por esta razón, se ha descubierto que, cuando la
temperatura operativa de la celda se reduce por debajo de la
temperatura de celdas convencionales (950-970ºC), el
ánodo cubierto con una capa externa de óxido de hierro puede ser
dimensionalmente estable manteniendo la concentración de las
especies de hierro y alúmina en el electrolito fundido de modo
suficiente para reducir o suprimir la disolución de la capa
hierro-óxido, siendo la concentración de las especies de hierro
suficientemente baja para que no supere el nivel comercialmente
aceptable de hierro en el aluminio producido.
La presencia de alúmina disuelta en el
electrolito en la superficie del ánodo tiene un efecto limitador
sobre la disolución de hierro procedente del ánodo en el
electrolito, lo que reduce la concentración de las especies de
hierro necesarias para interrumpir substancialmente la disolución de
hierro procedente del ánodo.
Cuando la superficie de las estructuras del ánodo
metálicas dotadas de orificios/elementos de guía de electrolitos se
basa en óxido de hierro, el electrolito puede comprender una cierta
cantidad de especies de hierro y alúmina disuelta que impide la
disolución de la superficie basada en óxido de hierro. La cantidad
de especies de hierro y alúmina disuelta en el electrolito debe ser
suficiente para impedir la disolución de la superficie basada en
óxido de hierro, pero de magnitud tal que el aluminio producido esté
contaminado en una cantidad no superior a 2000 ppm de hierro, y
preferentemente no superior a 1000 ppm de hierro, e incluso más
preferentemente no más de 500 ppm de hierro.
Para mantener en el electrolito una cantidad de
componentes en las estructuras de ánodos dotadas de
orificios/elementos de guía del electrolito, en particular especies
de hierro, lo que impide a la temperatura operativa la disolución de
las estructuras de ánodo dotadas de orificios/elementos de guía de
electrolito, si la alúmina alimentada no contiene en sí misma
suficiente hierro, los componentes pueden ser alimentados al
electrolito de forma intermitente, por ejemplo, de forma periódica
junto con la alúmina, o de manera continua, por ejemplo, por medio
de un electrodo de sacrificio. Cuando las estructuras de ánodo
dotadas de orificios/elementos de guía de electrolitos se basan en
óxido de hierro, se pueden alimentar especies de hierro al
electrolito en forma de hierro metálico y/o compuesto de hierro tal
como óxido de hierro, fluoruro de hierro, oxifluoruro de hierro y/o
una aleación de hierro aluminio.
Para limitar la contaminación del aluminio
producido por componentes catódicamente reducidos de las estructuras
de ánodo dotadas de orificios/elementos de guía de electrolitos a un
nivel comercialmente aceptable, la celda debe funcionar a una
temperatura suficientemente baja de manera que la concentración
requerida de los componentes, en particular, las especies de
hierro, en el electrolito quede limitada por la solubilidad reducida
de las especies de hierro en el electrolito a la temperatura de
funcionamiento.
La celda puede funcionar con una temperatura
operativa del electrolito por debajo de 910ºC, usualmente de 730 a
870ºC. El electrolito puede contener NaF y AlF_{3} en una
proporción molar de NaF/AlF_{3} requerida para la temperatura
operativa de la celda comprendida entre 1,2 y 2,4. La cantidad de
alúmina disuelta contenida en el electrolito es habitualmente
inferior a 8% del peso, preferentemente entre 2% en peso y 6% en
peso.
Dado que los elementos de guía del electrolito no
es necesario sean electroquímicamente activos o conductores, su
superficie puede ser realizada también mediante materiales
resistentes al electrolito de tipo no conductor. Los elementos de
guía de electrolito pueden ser utilizados a base de cualquier
material cerámico o de óxido resistente al electrolito, tal como
nitruro de silicio, nitruro de aluminio, nitruro de boro, ferrita de
magnesio, aluminato de magnesio, cromita de magnesio, óxido de zinc,
óxido de níquel y alúmina. No obstante, los elementos de guía pueden
ser realizados a base de los mismos materiales que los ánodos.
Las superficies de los elementos de guía o de las
partes inactivas de ánodos que durante el funcionamiento de la celda
quedan expuestas al electrolito fundido, en particular las partes
próximas a la superficie del electrolito, se pueden proteger con un
recubrimiento basado en zinc, en particular que contiene óxido de
zinc con o sin alúmina, o aluminato de zinc. Durante el
funcionamiento de la celda, para inhibir substancialmente la
disolución de dicha superficie, la concentración en el electrolito
de alúmina disuelta debe ser mantenida entre 3 y 4% en peso o en
valores superiores.
La invención se describe a continuación haciendo
referencia a los dibujos esquemáticos, en los que:
- la figura 1 muestra una celda para la
fabricación electrolítica de aluminio con ánodos montados con
elementos de guía de electrolito de acuerdo con la invención;
- las figuras 2, 3 y 4 muestran partes a mayor
escala con variaciones de los elementos de guía de electrolito
mostrados en la figura 1 durante el funcionamiento de la celda;
- la figura 5 es una sección transversal de otro
ánodo con elementos de guía de electrolito de acuerdo con la
invención, de los que se ha mostrado solamente uno de ellos;
- la figura 6 muestra una vista en planta de la
mitad de un conjunto de varios elementos de guía del electrolito
similares al mostrado en la figura 5;
- la figura 7 es una vista en planta del ánodo
mostrado en la figura 5 con la mitad de un conjunto de elementos de
guía de electrolito según la figura 6; y
- la figura 8 es una vista en planta de una
variante del ánodo de la figura 7 mostrado sin elementos de guía de
electrolito.
La figura 1 muestra una celda para la fabricación
electrolítica de aluminio, de acuerdo con la invención, dotada de
una serie de ánodos (10) metálicos dotados de orificios que tienen
una estructura de ánodo en disposición general horizontal (12),
(13), (15), por debajo de una serie de elementos de guía de
electrolito (5), de acuerdo con la invención, sumergida en un
electrolito fundido sin costra (30). La celda comprende medios de
aislamiento tales como una cubierta de aislamiento (no mostrada) que
cubre el electrolito para impedir la formación de una costra de
electrolito sobre la superficie de dicho electrolito (30). Esta
cubierta puede quedar dispuesta tal como se describe en WO99/02763
(de Nora/Sekhar).
Los ánodos (10) están dirigidos hacia un fondo
(20) de la celda de cátodo horizontal, conectado a una barra
colectora negativa por barras conductoras de corriente (21). El
fondo (20) de la celda de cátodo está realizado a base de un
material conductor, tal como grafito u otro material carbonoso,
dotado de un recubrimiento de un refractario humectable por aluminio
(22) sobre el que se produce el aluminio (35) y desde el que escurre
por drenaje o sobre el que forma un charco de poca altura, un charco
profundo o un charco estabilizado. El aluminio fundido (35)
producido es alejado de los ánodos enfrentados (10) por un
intersticio entre electrodos.
Pares de ánodos (10) se conectan a una barra
colectora positiva a través de un alimentador de corriente vertical
primario (11') y un distribuidor de corriente horizontal (11'')
conectado por ambos extremos a un ánodo (10) dotado de orificios a
través de un distribuidor de corriente secundario vertical
(11''').
Los distribuidores de corriente secundarios
verticales (11''') están montados sobre la estructura de ánodo (12),
(13), (15), sobre un travesaño (12) que, a su vez, está conectado a
dos o más elementos de conexión transversales (13) para conexión de
una serie de elementos de ánodo (15). Los alimentadores de corriente
(11'), (11''), (11'''), el elemento transversal (12), los elementos
de conexión transversales (13) y los elementos de ánodo (15) están
fijados de forma mecánica entre sí por soldadura, remaches u otros
medios.
Los elementos de ánodo (15) tienen una superficie
inferior electroquímicamente activa (16) en la que se genera oxígeno
anódicamente durante el funcionamiento de la celda. Los elementos de
ánodo (15) adoptan forma de barras rectilíneas paralelas en una
disposición coplanaria con orificios, separada lateralmente una de
otra por intersticios intermedios (17). Dichos intersticios entre
elementos (17) constituyen aberturas de paso para la circulación
del electrolito y escape de gas generado anódicamente liberado en
las superficies electroquímicamente activas (16).
El elemento transversal (12) y los elementos de
conexión transversal (13) proporcionan una distribución de corriente
sustancialmente regular a través de los elementos de ánodo (15) a
sus superficies electroquímicamente activas (16). El alimentador de
corriente (11), el elemento transversal (12) y los elementos de
conexión transversales (13) no necesitan ser electroquímicamente
activos, y su superficie puede ser pasivada una vez expuesta al
electrolito. No obstante, deben ser buenos conductores eléctricos
para evitar innecesarias caídas de voltaje, y no se deben disolver
sustancialmente en el electrolito.
Se pueden introducir variaciones en la estructura
del ánodo (12), (13), y (15), por ejemplo, según se da a conocer en
WO 00/40782 (de Nora).
Tal como se ha descrito anteriormente, la
superficie electroquímicamente activa (16) de los elementos de ánodo
(15) puede ser basada en óxido de hierro, en particular en hematita.
Son materiales de ánodo adecuados los que se describen en WO 00/6802
(Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/40783 (de Nora/Duruz), WO 00/06803
(Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO 01/42534
(de Nora/Duruz) y WO 01/42535 (Duruz/de Nora).
La superficie de óxido de hierro se puede
extender a la totalidad de partes sumergidas (11'''), (12), (13),
(15) del ánodo (10), en particular sobre la parte sumergida del
distribuidor de corriente vertical secundario (11''') que está
cubierto preferentemente de óxido de hierro, como mínimo, hasta 10
centímetros por encima de la superficie del electrolito (30).
Las partes sumergidas pero inactivas del ánodo
(10) pueden recibir un recubrimiento adicional de óxido de zinc. No
obstante, cuando partes del ánodo (10) están cubiertas con óxido de
zinc, la concentración de alúmina disuelta en el electrolito (30) se
debe mantener superior a 3% en peso para impedir una disolución
excesiva de óxido de zinc en el electrolito (30).
El núcleo de todos los componentes de ánodo
(11'), (11''), (11'''), (12), (13), (15) es preferentemente
altamente conductor y puede quedar realizado mediante cobre
protegido por sucesivas capas de níquel; cromo; níquel; cobre y,
opcionalmente, otra capa de níquel.
Los ánodos (10) están montados además con una
serie de elementos de guía del electrolito formando medios para
favorecer la disolución de la alúmina en polvo alimentada al
electrolito fundido sin costra (30) en forma de deflectores
paralelos, inclinados, separados entre sí (5) situados por encima y
adyacentes a la estructura de ánodo dotada de orificios (12), (13),
(15). Los deflectores (5) proporcionan superficies superiores (6)
convergentes de forma descendente y superficies inferiores (7)
convergentes de forma ascendente que desvían el oxígeno gaseoso que
se produce anódicamente por debajo de la superficie
electroquímicamente activa (16) de los elementos de ánodo (15) y que
escapa entre los intersticios entre elementos (17) a través de la
estructura de ánodo dotada de orificios (12), (13) y (15). El
oxígeno liberado por encima de los deflectores (5) ayuda a la
disolución de la alúmina alimentada al electrolito (30) por encima
de las superficies convergentes de forma descendente (6).
Un diseño de ánodo similar fue el propuesto en la
Patente U.S.A. 4.263.107 (Pellegri) para mejorar la circulación de
electrolito en la electrólisis con salmuera acuosa. El ánodo fue
realizado en materiales de ánodo convencionales para electrólisis
con salmuera, tal como titanio con un recubrimiento de un óxido de
un metal del grupo del platino, con una estructura de ánodo activo
dotada de orificios. No obstante, este diseño de ánodo está bien
adaptado para circulación de electrolito y liberación de gas en
electrólisis de salmuera, no se ha propuesto nunca ni se ha sugerido
su utilización en celdas de fabricación electrolítica de aluminio,
que difieren sustancialmente de las celdas
cloro-alcalinas y, en particular para mejorar la
disolución de la alúmina alimentada.
El recubrimiento (22) catódico humectable por
aluminio de la celda mostrada en la figura 1 puede ser
ventajosamente un recubrimiento de un metal duro refractario
aplicado en emulsión tal como se da a conocer en la patente USA
5.651.874 (de Nora/Sekhar). Preferentemente, el recubrimiento
catódico humectable por el aluminio (22) consiste en un
recubrimiento grueso de un boruro metálico duro y refractario, tal
como TiB_{2}, tal como se da a conocer en la patente WO98/17842
(Sekhar/Duruz/Liu), que es particularmente apropiado para proteger
el fondo del cátodo de una celda con drenaje, tal como se muestra en
la figura 1.
La celda comprende también paredes laterales (25)
de un material carbonoso o de otro tipo. Las paredes laterales (25)
están dotadas de recubrimiento/impregnación por encima de la
superficie del electrolito (30) con un recubrimiento/impregnación
protector de fosfato o de boro (26), tal como se describe la patente
USA 5.486.278 (Manganiello/Duruz/Bellò) y en la patente USA
5.534.130 (Sekhar).
Por debajo de la superficie del electrolito (30),
las paredes laterales (25) están dotadas del recubrimiento (23)
humectable por aluminio, de manera que el aluminio fundido (35)
impulsado por capilaridad y por fuerzas magnetohidrodinámicas cubre
y protege las paredes laterales (25) con respecto al electrolito
(35). El recubrimiento (23) humectable por aluminio se extiende
desde el recubrimiento catódico (22) humectable por aluminio sobre
la superficie de los prismas de esquina de conexión (28) hasta las
paredes laterales (25), como mínimo, a la superficie del electrolito
(30). El recubrimiento lateral humectable por aluminio (23) puede
quedar realizado ventajosamente en una emulsión de TiB_{2} en
partículas aplicada y secada y/o tratada térmicamente, en sílice
coloidal que es altamente humectable por aluminio.
De manera alternativa, por encima y por debajo de
la superficie del electrolito (30), las paredes laterales (25)
pueden ser cubiertas con un recubrimiento basado en zinc, tal como
un recubrimiento de óxido de zinc opcionalmente con alúmina o un
recubrimiento de aluminato de zinc. Cuando se utiliza un
recubrimiento basado en zinc para recubrir las paredes laterales
(25) o ánodos (10) tal como se ha descrito anteriormente, la
concentración de alúmina disuelta en electrolito fundido (30) se
debe mantener por encima de 4% en peso para impedir sustancialmente
la disolución de dicho recubrimiento.
Durante el funcionamiento de la celda, se
alimenta alúmina al electrolito (30) por encima de los defectores
(5) y la estructura metálica de ánodo (12), (13), (15). La alúmina
alimentada es disuelta y distribuída desde el extremo de fondo de
las superficies convergentes (6) al intersticio entre electrodos a
través de los intersticios entre elementos (17) y alrededor de los
bordes de la estructura de ánodo metálica (12), (13), (15), es
decir, entre pares adyacentes de ánodos (10) o entre ánodos
periféricos (10) y paredes laterales (25). Al hacer pasar una
corriente eléctrica entre los ánodos (10) y el fondo enfrentado
(20) de la celda de cátodo se genera oxígeno en las superficies de
ánodo electroquímicamente activas (16) y se produce aluminio, que es
incorporado en el aluminio fundido producido por vía catódica (35).
El oxígeno generado desde las superficies activas (16) escapa a
través de los intersticios (17) entre elementos y es interceptado
por las superficies convergentes hacia arriba (7) de los deflectores
(5). El oxígeno escapa de los extremos de más arriba de las
superficies convergentes hacia arriba (7) favoreciendo la disolución
de la alúmina alimentada sobre las superficies convergentes de forma
descendente (6).
Las celdas de fabricación electrolítica de
aluminio parcialmente mostradas en las figuras 2, 3 y 4 son
similares a la mostrada en la figura 1.
La figura 2 los elementos de guía son deflectores
inclinados (5), tal como se ha mostrado la figura 1. En este
ejemplo, el extremo de más arriba de cada deflector (5) está situado
justamente por encima y a media altura entre la superficie del
electrolito (30) y los elementos de conexión transversales (13).
También se ha mostrado, en la figura 2, la
circulación de un electrolito (31) generada por el escape de gas
liberado de las superficies activas (16) de los elementos de ánodo
(15) entre los intersticios entre elementos (17) que es desviado en
sentido ascendente por las superficies convergentes hacia arriba (7)
de los deflectores (5) que confinan el gas y el flujo del
electrolito entre sus bordes de más arriba. Desde los bordes de más
arriba de los deflectores (5), el gas generado anódicamente escapa
hacia la superficie del electrolito (30), mientras que la
circulación de electrolito (31) fluye en sentido descendente a
través de las superficies convergentes hacia abajo (6), a través de
los intersticios entre elementos (17) y alrededor de la estructura
de ánodo metálica (12), (13) y (15) para compensar la depresión
creada por el gas liberado anódicamente por debajo de las
superficies activas (17) de los elementos de ánodo (15). La
circulación de electrolito (31) desciende hacia adentro del
intersticio entre electrodos disolviendo el polvo de alúmina (32)
alimentado al electrolito fundido sin costra desde arriba de las
superficies convergentes hacia abajo (6) para su distribución
uniforme al intersticio entre electrodos.
La figura 3 muestra una parte de una celda de
fabricación electrolítica de aluminio con deflectores (5) que
funcionan como elementos de guía de electrolito igual que los
mostrados en la celda de la figura 2, pero cuyas superficies son
solamente parcialmente convergentes. Las secciones inferiores (4) de
los deflectores (5) son verticales y paralelos entre sí, mientras
que sus secciones superiores tienen superficies convergentes hacia
arriba y hacia abajo (6), (7). Los extremos de más arriba de los
deflectores (5) están situados por debajo pero próximos a la
superficie del electrolito (30) para incrementar la turbulencia de
la superficie del electrolito provocada por la liberación de gases
generados anódicamente.
La figura 4 muestra una variación de los
deflectores mostrados en la figura 3, mientras que las secciones
verticales paralelas (4) están situadas por encima de las
superficies convergentes (6), (7).
Por el guiado y limitación del oxígeno generado
anódicamente hacia la superficie del electrolito (30) con
deflectores u otros medios de limitación o confinamiento, en
particular, tal como se muestra en las figuras 3 y 4, el oxígeno es
liberado lo más próximo posible a la superficie para crear
turbulencia por encima de las superficies (6) convergentes en
sentido descendente, ayudando a la disolución de la alúmina
alimentada desde arriba.
Se comprenderá que los elementos limitadores (5)
del electrolito mostrados en las figuras 1, 2, 3 y 4 pueden ser
deflectores de largados, o alternativamente pueden consistir en una
serie de chimeneas o túneles verticales con sección transversal
circular o poligonal, por ejemplo, tal como se ha indicado a
continuación.
Las figuras 5 y 7 muestran un ánodo (10') que
tiene un fondo circular, viéndose mostrado el ánodo (10') en sección
transversal en la figura 5 y desde la parte superior en la figura 7.
En la parte derecha de las figuras 5 y 7, se ha mostrado el ánodo
(10') con elementos de guía del electrolito (5'), según la
invención. Los elementos de guía de electrolito (5'), representados
en la figura 7, se han mostrado de manera separada en la figura
6.
El ánodo (10') mostrado en las figuras 5 y 7
tiene varios elementos de ánodo circulares concéntricos, por
ejemplo, cuatro, indicados con el numeral (15). Los elementos de
ánodo (15) están separados entre sí lateralmente mediante
intersticios (17) y están conectados entre sí por elementos de
conexión radiales en forma de pestañas (13) que se unen con un
anillo externo (13'). El anillo externo (13') se prolonga
verticalmente desde los elementos de ánodo más externos (15), tal
como se ha mostrado en la figura 5, para formar con las pestañas
radiales (13) una estructura en forma de rueda (13), (13') mostrada
en la figura 7, que fija los elementos de ánodo (15) a un
alimentador central de corriente de ánodo (11).
Tal como se ha mostrado en la figura 5, el ánodo
circular más interno (15) se fusiona parcialmente con el alimentador
de corriente (11), con conductos (18) que se extienden entre el
ánodo circular más interno (15) y el alimentador de corriente (11)
para permitir el escape del oxígeno producido por debajo del
alimentador de corriente central (11).
El elemento (5') de guía del electrolito adopta
la forma general de un embudo que tiene una abertura más amplia
inferior (9) para recibir el oxígeno producido anódicamente y una
abertura superior más estrecha (8) en la que se libera oxígeno para
favorecer la disolución de la alúmina alimentada por encima de la
guía de electrolito (5'). La superficie interna (7) de la guía de
electrolito (5') está dispuesta para canalizar y favorecer un flujo
ascendente de electrolito activado por el oxígeno producido
anódicamente. La superficie externa (6) del elemento (5') de guía
del electrolito está dispuesto para favorecer la disolución de la
alúmina alimentada por encima y guiar el electrolito rico en alúmina
en sentido descendente al intersticio entre electrodos, fluyendo
principalmente el electrolito alrededor de la estructura dotada de
orificios.
Tal como se ha mostrado en las figuras 6 y 7, los
elementos (5') de guía del electrolito están dispuestos de forma
circular, habiéndose mostrado solamente la mitad de dicha
disposición. Los elementos (5') de guía de electrolito están fijados
lateralmente entre sí por dispositivos de fijación (3) y dispuestos
de manera tal que quedan mantenidos por encima de los elementos de
ánodo (15), estando situados, por ejemplo, los dispositivos de
fijación (3) sobre los elementos de conexión (13), tal como se ha
mostrado en la figura 7, o fijados de la forma requerida. Cada uno
de los elementos (5') de guía del electrolito está dispuesto en un
sector circular definido por dos pestañas radiales adyacentes (13) y
un arco del anillo externo (13') tal como se ha mostrado en la
figura 7.
La disposición de los elementos de guía (5') del
electrolito y el ánodo (10') se puede moldear como unidades. Esto
ofrece la ventaja de evitar uniones mecánicas y evita el riesgo de
alterar las características de los materiales de los elementos de
guía (5') del electrolito o del ánodo (10') por soldadura.
Los ánodos (10') y los elementos (5') de guía del
electrolito pueden quedar realizados en cualquier material
resistente a la oxidación y el electrolito fundido que contiene
fluoruro, por ejemplo, tal como se da a conocer en las patentes WO
00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/40783 (de Nora/Duruz), WO
00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO
01/42534 (de Nora/Duruz) y WO 01/42535 (Duruz/de Nora).
La figura 8 muestra un ánodo cuadrado (10') como
variación del ánodo redondo (10') de las figuras 5 y 7, pero que se
han mostrado sin sus elementos de guía de electrolito. El ánodo
(10') de la figura 8 tiene elementos de ánodo (15) paralelos y
concéntricos de forma general rectangular con esquinas redondeadas.
Unos elementos de guía de electrolitos similares a los de las
figuras 5 a 7, pero en disposición rectangular correspondiente,
cubren el ánodo (10').
Claims (35)
1. Celda electrolítica para la fabricación
electrolítica de aluminio a partir de alúmina disuelta en un
electrolito fundido, sin costra, que contiene fluoruro, térmicamente
aislante, que comprende una estructura de ánodo metálico dotado de
orificios, electroquímicamente activo, para la generación de oxígeno
y escape del oxígeno generado a través del mismo, y que está
separado por un intersticio entre electrodos por encima de un cátodo
dispuesto en oposición sobre el que se produce aluminio durante el
funcionamiento, comprendiendo además la celda medios para favorecer
la disolución de la alúmina en polvo alimentada a la superficie del
electrolito y para suministrar electrolito rico en alúmina al
intersticio entre electrodos al inducir circulación de electrolito
ascendente desde el intersticio entre electrodos y descendente
hacia dicho intersticio entre electrodos producido por el escape del
oxígeno generado anódicamente a través de la estructura de ánodo
dotado de orificios, comprendiendo dichos medios unos elementos de
guía de electrolito que tienen como mínimo una superficie inclinada
sumergida en el electrolito fundido por encima de la estructura de
ánodo dotada de orificios.
2. Celda, según la reivindicación 1, en la que
los elementos de guía del electrolito comprenden superficies
inclinadas convergentes hacia abajo que guían el flujo descendente
de electrolito rico en alúmina al intersticio entre electrodos.
3. Celda, según la reivindicación 1, en la que
los elementos de guía del electrolito comprenden superficies
convergentes dirigidas hacia arriba que guían el flujo ascendente
del electrolito agotado de alúmina desde el intersticio entre
electrodos, activado por el oxígeno generado anódicamente.
4. Celda, según la reivindicación 1, en la que
los elementos de guía del electrolito comprenden superficies
convergentes dirigidas hacia arriba y hacia abajo que guían el flujo
ascendente y descendente del electrolito.
5. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el extremo de fondo de cada
elemento de guía de electrolito se prolonga de forma ascendente,
desde la estructura de ánodo dotada de orificios.
6. Celda, según la reivindicación 2, en la que
los extremos inferiores de los elementos de guía de electrolito
están separados entre sí por encima del ánodo o ánodos, para
permitir que el electrolito rico en alúmina discurra de modo
descendente desde los extremos inferiores de los elementos de guía
de electrolito para su dispersión por el oxígeno ascendente generado
anódicamente.
7. Celda, según la reivindicación 3, en la que
los elementos de guía del electrolito están situados por debajo de
la superficie del electrolito de manera que el oxígeno ascendente
generado anódicamente genera turbulencia en el electrolito por
encima de los elementos de guía del electrolito para favorecer la
disolución de la alúmina.
8. Celda, según la reivindicación 7, en la que el
extremo superior de cada elemento de guía de electrolito está
sumergido en el electrolito en no más de 5 cm por debajo de la
superficie del electrolito.
9. Celda, según la reivindicación 4, en la que
los elementos de guía del electrolito consisten en series de
disposición general horizontal de deflectores dispuestos en
configuración paralela y con separación y con inclinación lateral,
formando pares alternados de superficies convergentes hacia arriba y
pares de superficies convergentes dirigidas hacia abajo.
10. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en la que los elementos de guía de
electrolito forman una serie de embudos.
11. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en la que los elementos de guía de
electrolito adoptan forma de conos truncados o pirámides
truncadas.
12. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que los elementos de guía del
electrolito tienen superficies de un material cerámico o de un óxido
resistente al electrolito.
13. Celda, según la reivindicación 12, en la que
las superficies de los elementos de guía del electrolito están
basadas en óxido de hierro.
14. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que los elementos de guía de
electrolito están fijados entre sí formando una unidad.
15. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la estructura de ánodo con
orificios y el cátodo en oposición son horizontales o forman una
pendiente correspondiente.
16. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la estructura de ánodo con
orificios comprende una serie de elementos de ánodo
electroquímicamente activos paralelos, coplanarios y separados entre
sí.
17. Celda, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende como mínimo un cátodo con
drenaje humectable por aluminio.
18. Celda, según la reivindicación 17, en la que
el cátodo con drenaje humectable por aluminio tiene una superficie
de cátodo de drenaje inclinada.
19. Ánodo generador de oxígeno para una celda
electrolítica para la fabricación electrolítica de aluminio a partir
de alúmina disuelta en un electrolito fundido que contiene fluoruro,
que comprende una estructura metálica dotada de orificios
electroquímicamente activa para la generación de oxígeno y el escape
del oxígeno generado a través de la misma, y que, durante el
funcionamiento en un electrolito en una celda, está separada por el
intersticio entre electrodos por encima de un cátodo enfrentado
sobre el que se produce aluminio, comprendiendo además el ánodo
medios dispuestos para favorecer la disolución de alúmina en polvo
alimentada la superficie del electrolito y suministrar el
electrolito rico en alúmina al intersticio entre electrodos durante
el funcionamiento, induciendo circulación de electrolito ascendente
y descendente con respecto al intersticio entre electrodos por la
activación producida por el escape del oxígeno generado
anódicamente, a través de la estructura perforada del ánodo,
comprendiendo dichos medios elementos de guía de electrolito que
tienen como mínimo una superficie inclinada que, en funcionamiento,
queda sumergida en el electrolito por encima de la estructura del
ánodo dotada de orificios.
20. Ánodo, según la reivindicación 19, en el que
la estructura dotada de orificios comprende una serie de elementos
de ánodo electroquímicamente activos, coplanarios paralelos y
separados entre sí.
21. Ánodo, según la reivindicación 20, en el que
los elementos de ánodo están constituidos por elementos laminares o
paletas, barras, varillas o alambres separados entre sí.
22. Ánodo, según la reivindicación 21, en el que
cada uno de dichos elementos laminares, barras, varillas o alambres
tiene estructura general rectilínea.
23. Ánodo, según la reivindicación 21, en el que
los elementos laminares, barras, varillas o alambres separados entre
sí tienen una disposición general concéntrica, formando cada
elemento laminar, barra, varilla o alambre un bucle.
24. Ánodo, según la reivindicación 23, en el que
cada elemento laminar, barra, varilla o alambre tiene forma general
circular, ovalada o poligonal.
25. Ánodo, según la reivindicación 20, 21 ó 22,
en el que los elementos de ánodo tienen forma de rejilla, forma de
red o forma de malla.
26. Ánodo, según cualquiera de las
reivindicaciones 20 a 24, en el que los elementos de ánodo están
conectados por uno o varios elementos transversales de conexión para
llevar corriente eléctrica a los elementos de ánodo.
27. Ánodo, según la reivindicación 26, en el que
los elementos de ánodo están conectados por una serie de elementos
de conexión transversales que están conectados a su vez entre sí por
uno o varios elementos transversales para transportar energía
eléctrica a los elementos de ánodo a través de los elementos de
conexión transversales.
28. Ánodo, según la reivindicación 27, que
comprende como mínimo un alimentador de corriente vertical dispuesto
para su conexión a una barra colectora positiva que está conectada
de forma mecánica y eléctrica a uno o varios elementos de conexión
transversales o a uno o varios elementos de conexión cruzados que
conectan una serie de elementos de conexión transversales, para
transportar corriente eléctrica a los elementos de ánodo a través de
los elementos de conexión transversales y, en caso de que existan, a
través de los elementos cruzados.
29. Ánodo, según la reivindicación 28, en el que
el alimentador de corriente vertical, elementos de ánodo, elementos
de conexión transversales y, en caso de que existan, elementos
cruzados, están fijados entre sí formando una unidad.
30. Ánodo, según la reivindicación 28 ó 29, en el
que los elementos de guía de electrolitos están fijados entre sí y
fijados al alimentador de corriente
vertical.
vertical.
31. Ánodo, según cualquiera de las
reivindicaciones 19 a 29, en el que los elementos de guía de
electrolitos están fijados a la estructura del ánodo dotado de
orificios o situados sobre aquélla.
32. Ánodo, según cualquiera de las
reivindicaciones 19 a 31, en el que la estructura de ánodo dotado de
orificios tiene una superficie electroquímicamente activa basada en
óxido de hierro.
33. Método para la fabricación de aluminio en una
celda definida, según una de las reivindicaciones 1 a 18, que
comprende la disolución de alúmina en el electrolito al alimentar
alúmina en forma de polvo a un electrolito fundido sin costra desde
la parte superior de dichos elementos de guía de electrolito, y
haciendo pasar la corriente iónica entre la estructura de ánodo
activa dotada de orificios y el cátodo enfrentado realizando la
electrólisis en el intersticio entre electrodos para producir
aluminio sobre el cátodo y oxígeno sobre la estructura de ánodo con
orificios, e induciendo por dichos medios para favorecer la
disolución de alúmina en polvo y para suministrar electrolito rico
en alúmina al intersticio entre electrodos, una circulación de
electrolito hacia arriba y hacia abajo con respecto al intersticio
entre electrodos producido por el escape del oxígeno generado
anódicamente a través de la estructura de ánodo dotada de
orificios.
34. Celda electrolítica para la fabricación
electrolítica de aluminio a partir de alúmina disuelta en un
electrolito fundido, sin costra, que contiene fluoruro, y que está
aislado térmicamente, que comprende una estructura de ánodo
metálica, dotada de orificios, electroquímicamente activa para la
generación de oxígeno y que está separada por el intersticio entre
electrodos por encima de un cátodo dispuesto en oposición sobre el
que se produce aluminio durante el funcionamiento, comprendiendo la
celda adicionalmente medios para favorecer la disolución de alúmina
en polvo alimentada la superficie del electrolito y para distribuir
uniformemente y alimentar electrolito rico en alúmina a través de la
estructura dotada de orificios al intersticio entre electrodos,
comprendiendo dichos medios unos elementos de guía del electrolito
que están situados en el electrolito por encima de la estructura de
ánodo dotada de orificios, comprendiendo los elementos de guía del
electrolito superficies convergentes hacia abajo, sumergidas en el
electrolito y dispuestas para:
- -
- favorecer la disolución de alúmina alimentada por encima de sus superficies convergentes hacia abajo; y
- -
- alimentar electrolito rico en alúmina hacia abajo a través de sus superficies convergentes hacia abajo y a través de la estructura dotada de orificios hacia el intersticio entre electrodos.
35. Celda electrolítica para la fabricación
electrolítica de aluminio a partir de alúmina disuelta en un
electrolito fundido, sin costra, que contiene fluoruro, y que está
aislado térmicamente, que comprende una estructura de ánodo
metálica, dotada de orificios, electroquímicamente activa para la
generación de oxígeno y que está separada por el intersticio entre
electrodos por encima de un cátodo dispuesto en oposición sobre el
que se produce aluminio durante el funcionamiento, comprendiendo la
celda adicionalmente medios para favorecer la disolución de alúmina
en polvo alimentada la superficie del electrolito y para distribuir
uniformemente y alimentar electrolito rico en alúmina a través y/o
alrededor de la estructura dotada de orificios hacia el intersticio
entre electrodos, comprendiendo dichos medios elementos de guía de
electrolito que están situados en el electrolito por encima de la
estructura de ánodo dotada de orificios, comprendiendo los elementos
de guía de electrolito superficies convergentes dirigidas hacia
arriba, sumergidas en el electrolito y estando dispuestas
para:
para:
- -
- guiar un flujo ascendente del electrolito agotado de alúmina impulsado por el oxígeno generado anódicamente que escapa a través de la estructura de ánodo dotada de orificios para favorecer la disolución de la alúmina alimentada por encima de sus superficies convergentes hacia arriba; y
- -
- alimentar electrolito rico en alúmina en sentido descendente a través y/o alrededor de la estructura de ánodo dotada de orificios al intersticio entre electrodos.
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