ES2215603T3 - Celda para electrolisis de aluminio con anodos generadores de oxigeno. - Google Patents

Abstract

Celda para la electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrolito fundido que contiene fluoruros, que comprende como mínimo un ánodo sin carbón basado en metales, que tiene una estructura metálica eléctricamente conductora con una superficie de ánodo electroquímicamente activa sobre la que, durante la electrólisis, se genera oxígeno anódicamente, estando suspendida la estructura metálica en el electrolito con su superficie de ánodo activa substancialmente paralela a una superficie de cátodo plana dispuesta en oposición, comprendiendo dicha estructura metálica una serie de elementos de ánodo alargados horizontalmente, poseyendo cada elemento de ánodo una longitud muy superior a su grosor, estando dispuestos los elementos de ánodo paralelos entre sí, separados entre sí transversalmente en una disposición general coplanaria, poseyendo cada elemento de ánodo una superficie electroquímicamente activa, formando las superficies electroquímicamente activas de los elementos de ánodo dicha superficie activa de ánodo que se extiende sobre una zona cuyas dimensiones son mucho mayores que el grosor de los elementos de ánodo alargados, formando los elementos de ánodo separados entre sí aberturas de paso de flujo alargadas en disposición horizontal para la circulación del electrolito impulsado por el escape rápido del oxígeno que se genera anódicamente.

Description

Celda para electrólisis de aluminio con ánodos generadores de oxígeno.

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere a una celda para electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrolito fundido que contiene fluoruros tal como criolita, dotada de ánodos no carbonosos, basados en metales, diseñados para dichas celdas para la electrólisis de aluminio.

Antecedentes técnicos

La tecnología para la fabricación de aluminio por electrólisis de alúmina, disuelta en criolita fundida, a temperaturas de unos 950ºC tiene más de cien años de antigüedad.

Este procedimiento concebido casi simultáneamente por Hall y Héroult, no ha evolucionado de igual manera que muchos otros procesos electroquímicos.

Los ánodos se fabrican todavía a base de materiales carbonosos y deben ser substituidos al cabo de pocas semanas. Durante la electrólisis, el oxígeno que se genera en el ánodo se combina con el carbón para formar CO_{2} que es contaminante y pequeñas cantidades de CO y de gases peligrosos que contienen flúor. El consumo actual del ánodo llega a los 450 kg/Ton de aluminio producido que es más de 1/3 superior a la cantidad teórica de 333 kg/Ton.

La utilización de ánodo metálico en las celdas de electrólisis de aluminio mejoraría drásticamente el proceso del aluminio al reducir la contaminación y el coste de la fabricación de aluminio.

La Patente U.S.A. 4.999.097 (Sadoway) describe ánodos para celdas convencionales de electrólisis de aluminio dotadas de un recubrimiento de óxido que contiene como mínimo un óxido de zirconio, hafnio, torio y uranio. Para impedir el consumo del ánodo, el baño se satura con los materiales que forman el recubrimiento. No obstante, estos recubrimientos son poco conductores y no han sido utilizados.

La Patente U.S.A. 4.504.369 (Keller) da a conocer un método de producción de aluminio en una celda convencional utilizando ánodos de óxido metálico macizos que tienen una abertura pasante vertical central para la alimentación de los componentes del ánodo y alúmina en el electrolito, para hacer más lenta la disolución del ánodo.

La Patente U.S.A. 4.614.569 (Duruz/Derivaz/
Debely/Adorian) describe ánodos metálicos para electrólisis de aluminio con recubrimiento de un revestimiento protector de oxifluoruro de cerio, formado in situ en la celda o aplicado previamente, cuyo recubrimiento es mantenido durante la electrólisis por adición de pequeñas cantidades de un compuesto de cerio al electrolito de criolita fundida. Esto ha hecho posible conseguir una protección de la superficie con respecto al ataque del electrolito y en cierta medida del oxígeno gaseoso pero no con respecto a oxígeno monoatómico naciente.

Se han propuesto varios diseños de ánodos generadores de oxígeno para celdas de electrólisis de aluminio en los documentos siguientes. La Patente U.S.A. 4.681.671 (Duruz) da a conocer placas de ánodo verticales o unas paletas verticales que funcionan en celdas de electrólisis de aluminio a baja temperatura. La Patente U.S.A. 5.310.476 (Sekhar/de Nora) da a conocer ánodos generadores de oxígeno que consisten en pares de placas de ánodo montadas en forma de techo. La Patente U.S.A. 5.362.366 (de Nora/Sekhar) describe formas de ánodos no consumibles, tales como pares de placas de ánodo montadas en forma de techo y también hojas o alambres o haces de alambres curvados hacia abajo. La Patente U.S.A. 5.368.702 (de Nora) da a conocer ánodos generadores de oxígeno de forma tubular vertical o cónica para celdas multimonopolares de aluminio. La Patente U.S.A. 5.683.559 (de Nora) describe una celda para la electrólisis de aluminio con placas de ánodo curvadas generadoras de oxígeno, que están alineadas en una configuración de techo dirigidas a cátodos conformados de manera correspondiente. La Patente U.S.A. 5.725.744 (de Nora/Duruz) da a conocer placas de ánodo generadoras de oxígeno de estructura vertical, preferentemente porosas o reticuladas, en una disposición de celda multimonopolar para celdas de electrólisis de aluminio que funcionan a temperatura
reducida.

Las Patentes EP-A-0135687 (Roos/Boehn/Bittler/
Kilthau) y EP-A-0685575 (Busse/Scannel) dan a conocer ánodos para electrólisis de un cloruro alcalino. Los ánodos tienen elementos de ánodo en disposición paralela y horizontal.

La Patente WO89/06289 (LaCamera/Van Linden/Pierce) da a conocer una celda para electrólisis de aluminio con ánodos en forma de bloques no consumibles que tienen una superficie inferior activa y canales que se prolongan desde la superficie activa verticalmente a través del bloque de ánodo para la liberación del gas producido anódicamente.

Si bien las referencias anteriormente indicadas muestran esfuerzos continuados para mejorar el funcionamiento de celdas para la electrólisis de aluminio utilizando ánodos generadores de oxígeno, ninguna de ellas ha encontrado aceptación comercial hasta el momento.

Objetivos de la invención

Es un objetivo de la presente invención dar a conocer una celda para la electrólisis de aluminio con uno o varios ánodos no carbonosos, basados en metales.

También es un objeto de la presente invención dar a conocer una celda de electrólisis de aluminio con uno o varios ánodos que tienen un área superficial grande y elevada actividad electroquímica para la generación de oxígeno y que permiten una liberación rápida de oxígeno gaseoso y la circulación de electrolito rico en alúmina entre los ánodos y un cátodo dirigido hacia aquéllos.

Un objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer una celda para electrólisis de aluminio que tiene uno o varios ánodos no carbonosos basados en metales, cuyo diseño permite una circulación mejorada de electrolito y que son fáciles y económicos de fabricar.

Otro objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer una celda de electrólisis de aluminio con uno o varios ánodos no carbonosos, basados en metales, cuyo diseño permite una circulación mejorada de electrolito y que están realizados mediante un material de ánodo de larga duración que conduce a aluminio comercialmente aceptable y que se pueden conformar según deseo.

Otro objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer una celda de electrólisis de aluminio con uno o varios ánodos no carbonosos, basados en metales, cuyo diseño permite una circulación mejorada de electrolito y que están realizados a base de un material de ánodo que tiene baja solubilidad en el electrolito.

Un importante objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer una celda para electrólisis de aluminio con uno o varios ánodos no carbonosos, basados en metales, cuyo diseño permite una circulación mejorada del electrolito y que se pueden mantener dimensionadamente estables y que no contaminan excesivamente el aluminio producido.

Características de la invención

La presente invención da a conocer una celda para electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrolito fundido que contiene fluoruros. La celda comprende como mínimo un ánodo no carbonoso, basado en metales, que tiene una estructura metálica eléctricamente conductora con una superficie de ánodo electroquímicamente activa sobre la cual, durante la electrólisis, se genera oxígeno anódicamente. La estructura metálica es suspendida en el electrolito con su superficie de ánodo activa substancialmente paralela a una superficie de cátodo plana dispuesta en oposición. Esta estructura metálica comprende una serie de elementos de ánodo alargados horizontalmente, poseyendo cada uno de los elementos de ánodo una longitud que es muy superior a su grosor. Los elementos de ánodo están dispuestos paralelos entre sí y separados uno de otro transversalmente en una disposición general coplanaria. Cada uno de los elementos de ánodo tiene una superficie electroquímicamente activa, formando las superficies electroquímicamente activas de los elementos de ánodo la superficie activa de ánodo que se extiende sobre una zona cuyas dimensiones son muy superiores al grosor de los elementos de ánodo alargados. Los elementos de ánodo separados entre sí forman aberturas de flujo pasante alargadas horizontalmente para la circulación de electrolito impulsado por el escape rápido del oxígeno generado anódicamente.

Dependiendo de la configuración de la celda, una parte o la totalidad de las aberturas de flujo pasante pueden servir para el flujo del electrolito rico en alúmina a una zona de electrólisis entre el ánodo o ánodos y el cátodo y/o para el paso del electrolito agotado en alúmina, alejándose de la zona de electrólisis. Cuando la superficie del ánodo es horizontal o inclinada, estos flujos son ascendente y descendente. Una parte de la circulación del electrolito puede tener lugar también alrededor de la estructura del ánodo metálico.

Se puede conseguir una distribución de corriente substancialmente uniforme a partir de un alimentador de corriente a través de conectores metálicos transversales conductores a los elementos de ánodo y sus superficies activas.

En oposición a diseños conocidos de ánodos generadores de oxígeno para celdas para la electrólisis de aluminio, en un ánodo de acuerdo con la presente invención la disposición coplanaria de los elementos de ánodo proporciona una superficie electroquímicamente activa que se extiende sobre una zona que es mucho más grande que el grosor de los elementos de ánodo, limitando de esta manera los costes de material del ánodo.

La superficie del ánodo electroquímicamente activa es usualmente substancialmente horizontal o inclinada con respecto a la horizontal.

En casos especiales, la superficie del ánodo electroquímicamente activo puede ser vertical o substancialmente vertical, quedando los elementos de ánodo horizontales separados uno encima de otro y dispuestos de manera que la circulación de electrolito tiene lugar a través de aberturas pasantes. Por ejemplo, los elementos de ánodo pueden estar dispuestos de manera parecida a persianas venecianas de forma adyacente a un cátodo vertical o substancialmente vertical.

En una realización, dos ánodos substancialmente verticales adyacentes y separados entre sí (o convergentes hacia abajo con un reducido ángulo con respecto a la vertical) están dispuestos entre un par de cátodos substancialmente verticales, estando separados entre sí cada ánodo y cada cátodo paralelo dirigido hacia aquél por un intersticio entre electrodos. Los ánodos adyacentes están separados entre sí por un intersticio de flujo descendente de electrolito en el que un electrolito rico en alúmina fluye hacia abajo hasta que circula a través de las aberturas pasantes de los ánodos adyacentes hacia adentro de los intersticios entre electrodos. El electrolito rico en alúmina es electrolizado en los intersticios entre electrodos, produciendo por esta razón oxígeno generado anódicamente que impulsa al electrolito agotado en alúmina hacia arriba, hacia la superficie del electrolito en la que el electrolito es enriquecido con alúmina, e induce el movimiento hacia abajo del electrolito rico en alúmina.

Los elementos de ánodo pueden ser paletas, barras, varillas o alambres separados entre sí. Las barras, varillas o alambres pueden tener en general una forma rectangular o circular en sección, o pueden tener en sección transversal una parte superior de forma general semicircular y un fondo plano. Alternativamente, las barras, varillas o alambres pueden tener una forma general de campana o de pera en sección transversal.

Cada una de las paletas, barras, varillas o alambres pueden tener una forma general rectilínea o, alternativamente, una disposición general concéntrica, formando las paletas, barras, varillas o alambres un bucle para minimizar los efectos de borde de la corriente durante la utilización. Por ejemplo, cada una de las paletas, barras, varillas o alambres puede tener una forma general circular, oval o poligonal, en particular rectangular o cuadrada, preferentemente con esquinas redondeadas.

Cada elemento de ánodo puede ser un conjunto que comprende un primer elemento o elemento de soporte eléctricamente conductor, que soporta o lleva como mínimo un segundo elemento electroquímicamente activo, formando la superficie del segundo elemento la superficie electroquímicamente activa. Para evitar innecesarios esfuerzos mecánicos en el conjunto debido a la diferente dilatación térmica entre el primer y segundo elementos, el primer elemento puede soportar una serie de segundos elementos separados de tipo "corto".

El segundo elemento electroquímicamente activo puede ser conectado eléctrica o mecánicamente al primer elemento de soporte por un elemento intermedio de conexión tal como una pestaña. Usualmente, el primer elemento está directa o indirectamente en contacto con el segundo elemento electroquímicamente activo a lo largo de toda su longitud, lo que minimiza durante el funcionamiento de la celda la trayectoria de corriente por el elemento electroquímicamente activo. Este diseño es muy apropiado para un segundo elemento realizado en un material electroquímicamente activo que no tiene elevada conductividad eléctrica.

Este diseño de elemento de ánodo es también adecuado cuando el elemento es un cuerpo completo de un material electroquímicamente activo que es resistente a la oxidación y poroso (tal como óxido a granel) y que tiene conductividad iónica que permite la oxidación de iones de oxígeno dentro del material activo. Cuando este material activo cubre un substrato oxidable, el substrato es posiblemente oxidado, expansionándose de esta manera por debajo del material electroquímicamente activo sometiéndolo a esfuerzos mecánicos perjudiciales. Al disponer un elemento de soporte que tiene una barrera al oxígeno en su superficie, tal como óxido de cromo, y que es eléctricamente conductor pero no necesariamente electroquímicamente activo, el elemento de soporte no es oxidado por el oxígeno iónico que le pueda alcanzar. El oxígeno iónico permanece dentro del material electroquímicamente activo y se convierte eventualmente en oxígeno monoatómico y biatómico.

Los elementos de ánodo paralelos deben ser conectados entre sí, por ejemplo, en forma de rejilla, red o malla de los elementos de ánodo. Para evitar efectos de borde de la corriente, los extremos de los elementos de ánodo pueden ser conectados entre sí, por ejemplo, se puede disponer extendiéndose sobre un ánodo periférico de forma general rectangular desde un lado hasta un lado opuesto del armazón.

De manera alternativa, la conexión puede ser realizada como mínimo por un elemento de conexión. Posiblemente los elementos de ánodo están conectados por una serie de elementos de conexión transversal que a su vez están conectados entre sí por uno o varios elementos transversales. Para configuraciones concéntricas de bucle, los elementos de conexión transversales pueden ser radiales. En este caso, los elementos de conexión radiales se extienden radialmente desde la parte media del elemento de ánodo paralelo y opcionalmente están fijados a un anillo externo en la periferia de esta disposición o son integrales con el mismo.

De manera ventajosa, los elementos de conexión transversales tienen sección variable para asegurar una densidad de corriente substancialmente igual que en los elementos de conexión antes y después de cada conexión a un elemento de ánodo. Esto es aplicable también al elemento transversal en caso de que exista.

Usualmente, cada ánodo metálico comprende como mínimo un alimentador de corriente vertical dispuesto para su conexión a una barra colectora ("bus") positiva. Este alimentador de corriente está conectado mecánica y eléctricamente a uno o varios elementos de conexión transversales o a uno o varios elementos transversales que se conectan a una serie de elementos de conexión transversales, de manera que el alimentador de corriente transporta corriente eléctrica a los elementos de ánodo con intermedio del elemento o elementos de conexión transversal y en el caso de que existan con intermedio de los elementos transversales. En caso de que no existan elementos de conexión transversales, el alimentador de corriente vertical está conectado directamente a los elementos de ánodo que adoptan una configuración de rejilla, red o malla.

El alimentador de corriente vertical, los elementos de ánodo, los elementos de conexión transversal y, en caso de que existan, los elementos transversales, pueden ser fijados entre sí, por ejemplo, por su moldeo de forma unitaria. También es posible el montaje por soldadura u otros medios de conexión mecánica.

Usualmente, cuando el ánodo no está realizado de un material electroquímicamente activo a granel, el ánodo puede tener un recubrimiento generador de oxígeno, que puede ser un recubrimiento aplicado o un recubrimiento obtenido por oxidación superficial de un substrato de ánodo metálico. Usualmente el recubrimiento está realizado a base de un óxido metálico tal como óxido de hierro.

El ánodo o ánodos se pueden disolver lentamente en el electrolito. De manera alternativa, las condiciones operativas de la celda pueden ser tales que mantengan dimensionalmente estable el ánodo o ánodos. Por ejemplo, una cantidad suficiente de componentes del ánodo pueden ser mantenidos en el electrolito para mantener el ánodo o ánodos substancialmente estables dimensionalmente al reducir o impedir su disolución en el electrolito.

La celda puede comprender como mínimo un cátodo humectable en aluminio. El cátodo humectable en aluminio puede tener configuración con drenaje. Se describen ejemplos de celdas con cátodos con drenaje en las Patentes U.S.A. 5.683.130 (de Nora), WO99/02764 y WO99/41429 (ambas a nombre de Nora/Duruz).

La celda puede comprender también medios para facilitar la disolución de la alúmina alimentada al electrolito, por ejemplo, utilizando elementos de guía del electrolito por encima de los elementos de ánodo, tal como se describe en la Patente WO00/40781 (de Nora), induciendo un flujo ascendente y/o flujo descendente de electrolito a través de la estructura del ánodo y posiblemente alrededor de la misma.

Los elementos de guía del electrolito pueden ser fijados entre sí por su moldeo unitario, soldadura o utilizando otros medios de conexión mecánica para formar un conjunto. Este conjunto puede ser conectado al alimentador de corriente vertical o fijado o colocado en la estructura de ánodo dotada de orificios.

La celda también puede comprender medios para aislar térmicamente la superficie del electrolito para impedir la formación de costras de electrolito sobre la superficie del mismo, tal como una cubierta aislante sobre el electrolito, tal como se describe en la solicitud de patente pendiente con la actual WO99/02763 (de Nora/Sekhar).

Otro aspecto de la presente invención consiste en un método de producción de aluminio en una celda tal como se ha descrito anteriormente. El método comprende el paso de corriente eléctrica por los elementos de ánodo del ánodo o ánodos como corriente electrónica y desde allí pasando por el electrolito hacia el cátodo como corriente iónica, produciendo por lo tanto aluminio en el cátodo y oxígeno en el ánodo electroquímicamente activo, cuyo escape induce a la circulación del electrolito a través del flujo del ánodo a través de aberturas.

La presente invención da a conocer también un ánodo no carbonoso, basado en metales, de una celda para electrólisis de aluminio, tal como se ha descrito anteriormente. El ánodo tiene una estructura metálica eléctricamente conductora con una superficie de ánodo electroquímicamente activa resistente a la oxidación y electrolito fundido que contiene fluoruro, sobre el que, durante la electrólisis, se genera anódicamente oxígeno. La estructura metálica está suspendida en el electrolito con su superficie activa de ánodo substancialmente paralela a una superficie plana de cátodo en oposición. Esta estructura metálica comprende una serie de elementos de ánodo alargados horizontalmente, teniendo cada elemento de ánodo una longitud mucho mayor que su grosor. Los elementos de ánodo están dispuestos paralelamente entre sí separados uno de otro transversalmente en una disposición general coplanaria. Cada elemento de ánodo tiene una superficie electroquímicamente activa, formando las superficies electroquímicamente activas de los elementos de ánodo la superficie activa de ánodo que se extiende en una zona cuyas dimensiones son muy superiores a las del grosor de los elementos de ánodo alargados. Los elementos de ánodo separados entre sí forman aberturas alargadas horizontalmente, de tipo pasante, para la circulación de electrolito impulsado por el escape rápido del oxígeno generado anódicamente.

Materiales de ánodo y funcionamiento

Los ánodos de la presente invención pueden consistir en un material basado en óxido de hierro o pueden encontrarse preferentemente recubiertos con el mismo, obtenido posiblemente por oxidación de la superficie de un substrato de ánodo que contiene hierro. Se describen materiales de ánodo adecuados en mayor detalle en las Patentes WO00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO00/40183 (de Nora/Durutz), WO00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO00/06804 (Crottaz/Duruz), WO01/42534 (de Nora/Duruz) y WO00/42535 (Duruz/de Nora).

En procesos conocidos, incluso el material de ánodo menos soluble libera cantidades excesivas de componentes hacia el baño, lo cual conduce a una contaminación excesiva del aluminio producido. Por ejemplo, la concentración de níquel (componente frecuente de ánodos basados en metales) que se encuentra en aluminio producido en pruebas de pequeña escala a temperaturas operativas convencionales de la celda está típicamente comprendida entre 800 y 2.000 ppm, es decir, de 4 a 10 veces el nivel máximo aceptable que es de 200 ppm.

Los óxidos de hierro y en particular hematites (Fe_{2}O_{3}) tienen mayor solubilidad que el níquel en 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 unas 2.000 ppm) que para otras impurezas metálicas.

La solubilidad es una característica intrínseca de materiales de ánodo y no se puede cambiar de otro modo que por modificación de la composición del electrolito y/o la temperatura operativa de la celda.

Se llevaron a cabo pruebas a pequeña escala utilizando un ánodo de cermet NiFe_{2}O_{4}/Cu y funcionando en condiciones permanentes para establecer la concentración de hierro en el electrolito fundido y en el aluminio producido en diferentes condiciones operativas.

En el caso del óxido de hierro, se ha observado que disminuyendo la temperatura del electrolito se disminuye considerablemente la solubilidad de las especies de hierro. Este efecto puede ser explotado sorprendentemente para conseguir un impacto importante en el funcionamiento de la celda al limitar la contaminación del aluminio producido por acción del hierro.

Así, por ejemplo, se ha descubierto que cuando la temperatura operativa de la celda se reduce por debajo de la temperatura de celdas convencionales (950-970ºC), un ánodo recubierto con una capa externa de óxido de hierro se puede hacer dimensionalmente estable al mantener una concentración de hierro y alúmina en el electrolito fundido suficiente para reducir o suprimir la disolución de la capa de óxido de hierro, siendo la concentración de hierro suficientemente baja para no superar 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 en la disolución de hierro desde el ánodo pasando al electrolito, lo cual reduce la concentración de hierro necesaria para interrumpir substancialmente la disolución de hierro procedente del ánodo.

Cuando la superficie electroquímicamente activa del ánodo o de ánodos se basa en óxido de hierro, el electrolito puede comprender una cantidad de hierro y alúmina disuelta impidiendo la disolución de la superficie electroquímicamente activa basada en óxido de hierro. La cantidad de hierro y alúmina disueltos en el electrolito y que impiden la disolución de la superficie electroquímicamente activa basada en óxido de hierro del ánodo o ánodos debe ser tal que el aluminio producido se contamina en una cantidad no superior a 2.000 ppm de hierro, preferentemente en una cantidad no superior a 1.000 ppm de hierro, o incluso de manera más preferente no superior a 500 ppm de hierro.

Para mantener las cantidades de componentes de ánodo, en particular especies de hierro, en el electrolito que impide a la temperatura operativa la disolución del ánodo o ánodos si la alúmina en sí misma no contiene suficiente hierro, los componentes del ánodo pueden ser alimentados al electrolito de manera intermitente, por ejemplo, periódicamente junto con alúmina o de forma continua, por ejemplo, por medio de un electrodo de sacrificio. Cuando la superficie electroquímicamente activa del ánodo se basa en óxido de hierro, las especies de hierro pueden ser alimentadas al electrolito en forma de metal de hierro y/o compuesto de hierro, tal como óxido de hierro, fluoruro de hierro, oxifluoruro de hierro y/o aleación de hierro y aluminio.

Para limitar la contaminación del aluminio producido por los componentes del ánodo reducidos catódicamente hasta un nivel comercialmente aceptable, la celda debe funcionar a una temperatura suficientemente baja, de manera que la concentración requerida de alúmina disuelta y de los componentes de ánodo, en particular especies de hierro, en el electrolito esté limitada por la solubilidad reducida de las especies de hierro en el electrolito a la temperatura de funcionamiento.

La celda puede funcionar a una temperatura operativa del electrolito por debajo de 910ºC, usualmente de 730ºC a 870ºC. El electrolito puede comprender NaF y AlF_{3} en una proporción molar NaF/AlF_{3} requerida para la temperatura operativa en la celda comprendida entre 1,2 y 2,4. La cantidad de alúmina disuelta contenida en el electrolito es usualmente inferior a 8% en peso, preferentemente entre 2% en peso y 6% en peso.

Las partes inactivas de los ánodos que durante el funcionamiento de la celda están expuestas al electrolito fundido, en particular las partes que se encuentran cerca de la superficie del electrolito, se pueden proteger con un recubrimiento basado en cinc, en particular conteniendo óxido de cinc con o sin alúmina, o aluminato de cinc. Durante el funcionamiento de la celda, para inhibir substancialmente la disolución de dicha superficie, la concentración en el electrolito de la alúmina disuelta se debe mantener en un valor de 3 a 4% en peso o superior.

Breve descripción de los dibujos

La invención se describirá a continuación haciendo referencia a los dibujos esquemáticos, en los que:

- las figuras 1a y 1b muestran respectivamente una vista lateral en alzado y una vista en planta de un ánodo según la invención;

- las figuras 2a y 2b muestran respectivamente una vista lateral en alzado y una vista en planta de otro ánodo de acuerdo con la invención;

- las figuras 3, 4, 5 y 6 muestran vistas en alzado lateral de variantes del ánodo mostrado en la figuras 1a y 1b;

- las figuras 7 y 8 muestran secciones transversales de elementos de ánodo de varias piezas según la invención;

- la figura 9 muestra una celda para electrólisis de aluminio que funciona con ánodos según la invención, montados con elementos de guía de electrolito;

- las figuras 10, 11 y 12 son vistas a mayor escala de partes de variantes de los elementos de guía de electrolito mostrados en la figura 9, mostrando la figura 10 el funcionamiento de la celda;

- la figura 13 es una sección transversal de otro ánodo según la invención por elementos de guía de electrolito de los que solamente se ha mostrado uno de ellos;

- la figura 14 muestra una vista en planta de la mitad de un conjunto de varios elementos de guía de electrolito similares al mostrado en la figura 13;

- la figura 15 es una vista en planta del ánodo mostrado en la figura 13 con la mitad de un conjunto de elementos de guía de electrolito, tal como se ha mostrado en la figura 14; y

- la figura 16 es una vista en planta de una variante del ánodo de la figura 15.

Descripción detallada

Las figuras 1a y 1b muestran esquemáticamente un ánodo (10) de una celda para electrólisis de aluminio de acuerdo con la invención.

El ánodo (10) comprende un alimentador vertical de corriente (11) para conectar el ánodo a una barra bus positiva, un elemento transversal (12) y un par de elementos de conexión transversales (13) para conectar una serie de elementos de ánodo (15).

Los elementos de ánodo (15) tienen una superficie inferior electroquímicamente activa (16) en la que se genera anódicamente oxígeno durante el funcionamiento de la celda. Los elementos de ánodo (15) adoptan forma de barras paralelas en disposición coplanaria, con separación lateral entre sí por intersticios entre elementos (17). Los intersticios entre elementos (17) constituyen aberturas pasantes para la circulación de electrolito y para escape de los gases generados anódicamente que han sido liberados por las superficies electroquímicamente activas (16).

Los elementos de ánodo (15) están conectados transversalmente por el par de elementos de conexión transversales (13) que están a su vez conectados entre sí por el elemento transversal (12) sobre el que está montado el alimentador vertical de corriente (11). El alimentador de corriente (11), el elemento transversal (12), los elementos de conexión transversales (13) y los elementos de ánodo (15) están fijados mecánicamente entre sí por soldadura, remaches u otros medios.

Tal como se ha descrito anteriormente, la superficie electroquímicamente activa (16) de los elementos de ánodo (15) se pueden basar en óxido de hierro, en particular tal como se describe en las Patentes WO00/06802 (Duruz/de Nora/Corttaz), WO00/40783 (de Nora/Duruz), WO00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO00/06804 (Crottaz/Duruz), WO01/42534 (de Nora/Duruz) y WO00/42535 (Duruz/de Nora).

El travesaño (12) y los elementos transversales de conexión (13) están diseñados y posicionados sobre los elementos de ánodo (15) para proporcionar una disolución de corriente substancialmente regular a través de los elementos de ánodo (15) a sus superficies electroquímicamente activas (16). El alimentador de corriente (11), el elemento de travesaño (12) y los elementos de conexión transversal (13) no es necesario que sean electroquímicamente activos y su superficie se puede pasivar cuando se exponen a la acción del electrolito. No obstante, deben ser electroquímicamente buenos conductores para evitar caídas innecesarias de voltaje y substancialmente no se deben disolver en el electrolito.

Cuando los elementos de ánodo (15) y los elementos de travesaño (12) son expuestos a diferentes dilataciones térmicas, cada elemento de ánodo (15) tal como se ha mostrado en la figura 1 puede quedar constituido en dos elementos de ánodo separados "cortos" (o más, en caso necesario). Los elementos de ánodo "cortos" deben estar separados longitudinalmente entre sí cuando la dilatación térmica de los elementos de ánodo (15) es superior a la dilatación térmica de los elementos de travesaño (12).

Alternativamente, puede ser ventajoso en algunos casos, en particular para aumentar la uniformidad de la distribución de corriente, tener más de dos elementos de conexión transversales (13) y/o una serie de elementos de travesaño (12).

Asimismo, tampoco es necesario que los dos elementos transversales de conexión (13) sean perpendiculares a los elementos de ánodo (15) en una configuración paralela tal como se ha mostrado en la figura 1. Los elementos de conexión transversales (13) pueden adoptar una configuración de X en la que cada elemento de conexión (13) se prolonga, por ejemplo, desde una esquina a la esquina opuesta de una estructura de ánodo rectangular o cuadrada, conectándose un alimentador vertical de corriente (11) a la intersección de los elementos de conexión (13).

Las figuras 2a y 2b muestran esquemáticamente una variante del ánodo (10) que se ha mostrado en las figuras 1a y 1b.

En vez de tener elementos de conexión transversales (13), un elemento de travesaño (12) y un alimentador de corriente (11) para conectar mecánica y eléctricamente los elementos de ánodo (15) a una barra colectora positiva, tal como se ha mostrado en las figuras 1a y 1b, el ánodo (10) mostrado en las figuras 2a y 2b comprende un par de elementos moldeados o perfilados de soporte (14) que cumplen la misma función. Cada uno de los elementos moldeados de soporte (14) comprende un pie inferior prolongado horizontalmente (14a) para conectar eléctrica y mecánicamente los elementos de ánodo (15), un vástago (14b) para conectar el ánodo (10) a una barra bus positiva y un par de pestañas de refuerzo lateral (14c) entre el pie que se extiende horizontalmente (14a) y el vástago (14b).

Los elementos de ánodo (15) pueden estar fijados por acoplamiento a presión o soldadura en el pie horizontal (14a). Como alternativa, la forma de los elementos de ánodo (15) y ranuras receptoras correspondientes del pie (14a) pueden ser tales que permitan solamente movimientos longitudinales de los elementos de ánodo. Por ejemplo, los elementos de ánodo (15) y el pie (14a) pueden estar conectados por uniones en cola de milano.

Las figuras 3 a 6 muestran una serie de ánodos (10) según la invención que son similares al ánodo (10) que se ha mostrado en las figuras 1a y 1b. No obstante, las secciones transversales de los elementos de ánodo (15) de los ánodos (10) mostrados en las figuras 3 a 6 difieren de la sección transversal circular de los elementos de ánodo (10) mostrados en las figuras 1a y 1b.

Los elementos de ánodo (15) del ánodo mostrado en la figura 3 tienen en sección transversal una parte superior de forma general semicircular y un fondo plano que constituye la superficie electroquímicamente activa (16) de cada elemento de ánodo (15).

La figura 4 muestra elementos de ánodo (15) en forma de varillas que tienen forma general acampanada o de pera en sección transversal. La superficie electroquímicamente activa (16) de los elementos de ánodo (10) está situada a lo largo del fondo de la forma acampanada o de pera.

Los elementos de ánodo (15) que se han mostrado en la figura 5 son varillas que tienen forma general rectangular en sección transversal. La superficie electroquímicamente activa (16) está situada a lo largo del lado estrecho del fondo de la varilla.

Las figuras 6 y 7 muestran un ánodo (10) que tiene montados elementos de ánodo (15) de varias partes comprendiendo el primer elemento (15b) que soporta un segundo elemento electroquímicamente activo (15a). El elemento electroquímicamente activo (15a) tiene una superficie electroquímicamente activa (16) y está conectado a lo largo de toda su longitud al elemento de soporte eléctricamente buen conductor (15b) por un elemento intermedio de conexión (15c) tal como una brida. Este diseño de elemento de ánodo está especialmente bien adaptado para el material electroquímicamente activo que tiene una baja conductividad eléctrica y/o que es iónicamente conductor tal como se ha explicado anteriormente.

La figura 7 muestra una vista a mayor escala del elemento de ánodo montado (15) de la figura 6, comprendiendo un elemento electroquímicamente activo de forma general cilíndrica (15a) con una superficie electroquímicamente activa (16), un elemento de soporte eléctricamente conductor de forma general cilíndrica (15b) y un elemento de conexión intermedio o brida (15c) que conecta eléctrica y mecánicamente el elemento de soporte (15b) al elemento electroquímicamente activo (15a). De manera alternativa, el elemento de conexión (15c) puede ser una prolongación del elemento electroquímicamente activo (15a) o del elemento de soporte (15b) tal como se ha mostrado en la figura 8.

El elemento intermedio de conexión (15c) mostrado en la figura 7 puede estar conectado al elemento electroquímicamente activo (15a) y al elemento de soporte (15b) por acoplamiento a presión o por soldadura. No obstante, estas piezas pueden estar conectadas mecánicamente al disponer una geometría adecuada de los elementos de conexión (15c) y las ranuras receptoras correspondientes del elemento electroquímicamente activo (15a) y el elemento de soporte (15b), por ejemplo, con uniones en cola de milano.

El elemento electroquímicamente activo (15a) que se ha mostrado en la figura 7 y 8 puede basarse en óxido de hierro con o sin aditivos, por ejemplo, una aleación de hierro-níquel oxidada, tal como se da a conocer en las publicaciones PCT antes mencionadas. De manera alternativa, el elemento activo (15a) puede quedar realizado en ferrita, tal como ferrita de níquel, o una aleación oxidada, en particular una aleación moldeada, de un mínimo de dos metales seleccionados entre níquel, hierro, cobre y aluminio.

El elemento de soporte (15b) mostrado en las figuras 7 y 8 y el elemento de conexión (15c) mostrado en la figura 7 son preferentemente muy conductores y pueden comprender un núcleo metálico, por ejemplo, de cobre, cubierto por un material resistente al electrolito, por ejemplo, los materiales mencionados anteriormente que son adecuados para el elemento electroquímicamente activo (15a).

Tal como se ha indicado anteriormente, para evitar esfuerzos mecánicos innecesarios en el conjunto debido a la diferente dilatación térmica en los elementos electroquímicamente activos (15a) y elementos de soporte (15b), cada uno de los elementos de soporte (15b) puede soportar una serie de elementos electroquímicamente activos (15a) de tipo "corto", separados longitudinalmente entre sí. Los elementos electroquímicamente activos (15a) pueden ser cilindros cortos o discos.

En una variante, los elementos electroquímicamente activos (15a) y/o el elemento de soporte (15b) pueden ser prismas en disposición horizontal, por ejemplo, con base rectangular.

La figura 9 muestra una celda para electrólisis de aluminio de acuerdo con la invención, que tiene una serie de ánodos en disposición general horizontal (10) que son similares a los que se han mostrado en las figuras 1a y 1b, sumergidos en un electrolito (30). Los ánodos (10) están dirigidos a un fondo de celda de cátodo horizontal (20) conectado a una barra conectora negativa por barras conductoras de corriente (21). La barra de celda de cátodo (20) está realizada en un material conductor tal como grafito u otro material carbonoso dotado de un recubrimiento con un revestimiento catódico refractario humectable por aluminio (22) sobre el que se produce el aluminio (35) y del cual se retira por drenaje o sobre el que forma un charco de poca profundidad, un charco profundo o un charco estabilizado. El aluminio fundido (35) que se ha producido está separado de los ánodos en oposición (10) por un intersticio entre electrodos.

Pares de ánodos (10) están conectados a una barra conectora positiva a través de un alimentador principal de corriente vertical (11') y un distribuidor de corriente horizontal (11'') conectados en ambos extremos a un ánodo (10) dotado de orificios a través de un distribuidor de corriente vertical secundario (11''').

El distribuidor de corriente vertical secundario (11''') está montado en la estructura de ánodo (12),(13),(15), sobre un elemento de travesaño (12) que a su vez está conectado a un par de elementos de conexión transversales (13) para conectar una serie de elementos de ánodo (15). Los alimentadores de corriente (11'), (11''), (11'''), el elemento de travesaño (12), los elementos de conexión transversales (13) y los elementos de ánodo (15) están fijados mecánicamente entre sí por soldadura, remaches u otros medios.

Los elementos de ánodo (15) tienen una superficie inferior electroquímicamente activa (16) sobre la que durante el funcionamiento de la celda se genera anódicamente oxígeno. Los elementos de ánodo (15) adoptan forma de barras paralelas en disposición coplanaria dotada de orificios, con separación lateral entre sí por intersticios entre elementos (17). Los intersticios (17) entre los elementos constituyen aberturas pasantes para la circulación del electrolito y el escape del gas generado anódicamente desde las superficies electroquímicamente activas (16).

El elemento de travesaño (12) y los elementos de conexión transversal (13) proporcionan una distribución de corriente substancialmente regular a través de los elementos de ánodo (15) a sus superficies electroquímicamente activas (16). El alimentador de corriente (11), el elemento de travesaño (12) y los elementos de conexión transversal (13) no es necesario que sean electroquímicamente activos y su superficie se puede pasivar por exposición al electrolito. No obstante, deben ser buenos conductores eléctricamente para evitar caídas de voltaje innecesarias y no se deben disolver substancialmente en el electrolito fundido.

La superficie activa (16) de los elementos de ánodo (15) puede basarse en un óxido de hierro. Se describen materiales de ánodo adecuados en las publicaciones PCT antes mencionadas.

La superficie de óxido de hierro se puede extender a la totalidad de las partes sumergidas (11'''),(12),(13),(15) del ánodo (10), en particular sobre la parte sumergida del distribuidor de corriente vertical secundario (11''') que está preferentemente cubierto con óxido de hierro por lo menos hasta 10 cm por encima de la superficie del electrolito (30).

Las partes sumergidas pero inactivas del ánodo (10) pueden estar recubiertas adicionalmente con óxido de cinc. No obstante, cuando partes del ánodo (10) están cubiertas con óxido de cinc, la concentración de alúmina disuelta en el electrolito (30) se debe mantener por encima de 4% en peso para impedir una disolución excesiva de óxido de cinc 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 a base de cobre protegido con capas sucesivas de níquel, cromo, níquel, cobre y opcionalmente otra capa de níquel.

Los ánodos (10) llevan montados adicionalmente medios para aumentar la disolución de la alúmina alimentada en forma de elementos de guía del electrolito (5) formados mediante deflectores inclinados paralelos y 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 convergentes hacia abajo (6) y superficies inferiores convergentes hacia arriba (7) 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 miembros (17) a través de la estructura de ánodo dotada de orificios (12),(13),(15). El oxígeno liberado por encima de los deflectores (5) ayuda a la disolución de alúmina alimentada al electrolito (30) por encima de las superficies convergentes hacia abajo (6).

Un diseño similar de ánodo es el propuesto en la Patente U.S.A. 4.263.107 (Pellegri) para mejorar la circulación de electrolito en la electrólisis de salmueras acuosas. El ánodo estaba realizado a base de materiales de ánodo convencionales para electrólisis de salmuera, tal como titanio dotado de un recubrimiento de un óxido de un metal del grupo del platino, teniendo una estructura de ánodo activo dotada de orificios. Si bien, este diseño de ánodo está bien adaptado para circulación de electrolito y liberación de gas en la electrólisis de salmuera, no se ha propuesto en ningún caso ni se ha sugerido para su utilización en celdas de electrólisis de aluminio, que difieren substancialmente de las células cloroalcalinas, y en particular, para mejorar la disolución de la alúmina suministrada.

El recubrimiento catódico humectable por aluminio (22) de la celda mostrada en la figura 9 puede ser de manera ventajosa un recubrimiento de un metal refractario duro aplicado en forma de emulsión, tal como se da a conocer en la Patente U.S.A. 5.651.874 (de Nora/Sekhar). Preferentemente, el recubrimiento catódico humectable por aluminio (22) consiste en un recubrimiento grueso de un boruro de un metal duro reflactario tal como TiB_{2}, tal como se da a conocer en WO98/17842 (Sekhar/Duruz/Liu), que es adecuado para proteger el fondo del cátodo de una célula con drenaje tal como se muestra en la figura 9.

La celda comprende también paredes laterales (25) de un material carbonoso o de otro tipo. Las paredes laterales (25) están dotadas de recubrimiento/impregnadas por encima de la superficie del electrolito (30) con un recubrimiento/impregnación (26) de boro o de fosfato protector tal como se describe en la Patente U.S.A. 5.486.278 (Manganiello/Duruz/Bellò;) y en la Patente U.S.A. 5.534.130 (Sekhar).

Por debajo de la superficie del electrolito (30), las paredes laterales (25) están dotadas de un recubrimiento humectable por aluminio (23), de manera que el aluminio fundido (35) impulsado por capilaridad y fuerzas magnetohidrodinámicas cubre y protege las paredes laterales (25) con respecto al electrolito (35). El recubrimiento humectable por aluminio (23) se extiende desde el recubrimiento catódico humectable por aluminio (22) sobre la superficie de los prismas de conexión de esquina (28) subiendo por las paredes laterales (25) como mínimo hasta la superficie del electrolito (30). El recubrimiento lateral humectable por aluminio (23) puede quedar realizado ventajosamente a base de una emulsión aplicada y secada y/o dotada térmicamente de TiB_{2} 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 estar cubiertas por un recubrimiento basado en cinc, tal como un recubrimiento de óxido de cinc opcionalmente con alúmina o un recubrimiento de aluminato de cinc. Cuando se utiliza un recubrimiento basado en cinc para el recubrimiento de las paredes laterales (25) o de los ánodos (10) tal como se ha descrito anteriormente, la concentración de alúmina disuelta en el electrolito fundido (30) se debe mantener por encima de 4% en peso para impedir substancialmente la disolución de dicho recubrimiento.

Durante el funcionamiento de la celda, la alúmina es alimentada al electrolito (30) sobre los deflectores (5) y la estructura de ánodo metálico (12),(13),(15). La alúmina alimentada es disuelta y distribuida desde el extremo inferior de las superficies convergentes (6) hacia adentro del intersticio entre electrodos a través de los intersticios entre elementos (17) y alrededor de los bordes de la estructura de ánodo metálico (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 ánodos (10) y el fondo de la celda del cátodo (20) se genera oxígeno en las superficies electroquímicamente activas del ánodo (16) y se produce aluminio que se incorpora en el aluminio fundido catódico (35). El oxígeno generado de las superficies activas (16) escapa a través de los intersticios entre elementos (17) y es desviado por las superficies convergentes hacia arriba (7) de los deflectores (5). El oxígeno escapa de los extremos superiores de las superficies convergentes hacia arriba (7) aumentando la disolución de la alúmina alimentada sobre las superficies convergentes hacia abajo (6).

Las celdas para electrólisis de aluminio que se han mostrado parcialmente en las figuras 10, 11 y 12 son similares a la celda de electrólisis de aluminio mostrada en la figura 9.

En la figura 10 los elementos de guía son deflectores inclinados (5) tal como se ha mostrado en la figura 9. En este ejemplo el extremo superior de cada deflector (5) es situado justamente por encima y a media altura entre la superficie del electrolito (30) y los elementos de conexión transversales (13).

Asimismo, tal como se ha mostrado en la figura 10, la circulación de electrolito (31) es generada por un escape de gas liberado desde las superficies activas (16) de los elementos de ánodo (15) entre los intersticios entre elementos (17) y que son desviados por las superficies convergentes hacia arriba (7) de los deflectores (5) confinando el gas y el flujo de electrolito entre sus bordes más altos. Desde los bordes más altos de los deflectores (5), el gas generado anódicamente escapa hacia la superficie del electrolito (30), mientras que la circulación del electrolito (31) fluye de manera descendente a través de las superficies convergentes hacia abajo (6), a través de los intersticios entre elementos y alrededor de los bordes de la estructura de ánodo metálico (12),(13),(15) para compensar la depresión creada por el gas liberado de forma anódica por debajo de las superficies activas (17) de los elementos de ánodo (15). La circulación de electrolito (31) entra en el intersticio entre electrodos disolviendo partículas de alúmina (32) que son alimentadas por encima de las superficies convergentes hacia abajo (6).

La figura 11 muestra una parte de una celda para electrólisis de aluminio con deflectores (5) que funcionan como elementos de guía de electrolito igual que los que se han mostrado en la celda de la figura 9, 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). El extremo más alto de los deflectores (5) está situado por debajo de la superficie del electrolito -30- pero próximo a la misma para incrementar la turbulencia de la superficie del electrolito provocada por la liberación del gas generado anódicamente.

La figura 12 muestra una variación de los deflectores mostrados en la figura 11, en la que las secciones verticales y paralelas (4) están situadas por encima de las superficies convergentes (6),(7).

Al guiar y confinar el oxígeno generado anódicamente hacia la superficie del electrolito (30) con deflectores u otros medios de confinamiento tal como se ha mostrado en las figuras 11 y 12, y tal como se describe adicionalmente en la solicitud de Patente WO00/40781 (de Nora), el oxígeno es liberado con tanta proximidad a la superficie a efectos de crear turbulencias por encima de las superficies convergentes hacia abajo (6), favoreciendo la disolución de la alúmina alimentada por encima.

Se comprenderá que los elementos (5) de limitación del electrolito mostrados en las figuras 9, 10, 11 y 12 pueden estar constituidos por deflectores alargados o, en vez de ello, pueden consistir en una serie de chimeneas verticales o embudos con sección transversal, circular o poligonal, por ejemplo, tal como se describe más adelante.

Las figuras 13 y 15 muestran un ánodo (10') que tiene un fondo circular, habiéndose mostrado el ánodo (10') en sección transversal en la figura 5 y desde la parte superior en la figura 15. A la derecha de las figuras 13 y 15, el ánodo (10') se ha mostrado con elementos (5') de guía de electrolito de acuerdo con la invención. Los elementos (5') de guía de electrolito representados en la figura 15 se han mostrado separadamente en la figura 14.

El ánodo (10') mostrado en las figuras 13 y 15 tiene varios elementos de ánodo circulares concéntricos (15). Los elementos de ánodo (15) están separados lateralmente entre sí por intersticios entre elementos (17) y están conectados entre sí por elementos radiales de conexión en forma de puentes (13) que se unen con un anillo externo (13'). El anillo externo (13') se extiende verticalmente desde los elementos de ánodo externos (15), tal como se ha mostrado en la figura 13, formando con los puentes radiales (13) una estructura semejante a una rueda (13),(13'), mostrada en la figura 15, que fija los elementos de ánodo (15) a un alimentador central de corriente (11) del ánodo central.

Tal como se ha mostrado en la figura 13, el ánodo circular interno (15) se fusiona parcialmente con el alimentador de corriente (11), con conductos (18) que se extienden entre el elemento de ánodo circular interno (15) y el alimentador de corriente (11) para permitir el escape del oxígeno producido por debajo del alimentador central de corriente (11).

Cada elemento de guía de electrolito (5') adopta la forma general de un embudo con una abertura ancha de fondo (9) para recibir oxígeno producido anódicamente y una abertura superior estrecha (8) en la que se libera oxígeno para ayudar a la disolución de la alúmina alimentada por encima del elemento (5') de guía del electrolito. La superficie interna (7) de la guía del electrolito (5') está dispuesta para canalizar y favorecer flujo de electrolito hacia arriba impulsado por el oxígeno producido anódicamente. La superficie externa (6) del elemento de guía del electrolito (5') está dispuesta para favorecer la disolución de la alúmina alimentada por encima y para guiar el electrolito rico en alúmina hacia abajo hacia el intersticio entre electrodos, pasando el electrolito principalmente alrededor de la estructura dotada de orificios.

Tal como se ha mostrado en las figuras 14 y 15, los elementos (5') de guía de electrolito están dispuestos de forma circular, habiéndose mostrado solamente la mitad de la disposición. Los elementos de guía de electrolito (5') están fijados lateralmente entre sí por fijaciones (3) y dispuestos de manera tal que queden retenidos por encima de los elementos de ánodo (15), estando situadas las fijaciones (3), por ejemplo, en los puentes (13) tal como se ha mostrado en la figura 15 o del modo deseado. Cada elemento de guía de electrolito (5') está dispuesto en un sector circular definido por dos puentes radiales adyacentes (13) y un arco del anillo externo (13') tal como se ha mostrado en la figura 15.

La disposición de los elementos de guía de electrolito (5') y del ánodo (10') puede ser en forma de unidades moldeadas. Esto ofrece la ventaja de evitar uniones mecánicas y el riesgo de alterar las características de los materiales de los elementos de guía de electrolito (5') o ánodo (10') por soldadura.

Los ánodos (10') y los elementos de guía de electrolito (5') pueden quedar realizados a base de cualquier material adecuado que resiste la oxidación y el electrolito fundido que contiene flúor, por ejemplo, tal como se da a conocer en las publicaciones PCT antes mencionadas.

La figura 16 muestra un ánodo cuadrado (10') como variante del ánodo redondo (10') de las figuras 13 y 15. El ánodo (10') de la figura 16 tiene elementos de ánodo paralelos de forma general rectangular concéntricos (15) con esquinas redondeadas. El ánodo (10') mostrado en la figura 16 puede ser montado con elementos de guía de electrolito similares a los de las figuras 13 a 15, pero en una disposición rectangular correspondiente.

Claims (38)

1. Celda para la electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrolito fundido que contiene fluoruros, que comprende como mínimo un ánodo sin carbón basado en metales, que tiene una estructura metálica eléctricamente conductora con una superficie de ánodo electroquímicamente activa sobre la que, durante la electrólisis, se genera oxígeno anódicamente, estando suspendida la estructura metálica en el electrolito con su superficie de ánodo activa substancialmente paralela a una superficie de cátodo plana dispuesta en oposición, comprendiendo dicha estructura metálica una serie de elementos de ánodo alargados horizontalmente, poseyendo cada elemento de ánodo una longitud muy superior a su grosor, estando dispuestos los elementos de ánodo paralelos entre sí, separados entre sí transversalmente en una disposición general coplanaria, poseyendo cada elemento de ánodo una superficie electroquímicamente activa, formando las superficies electroquímicamente activas de los elementos de ánodo dicha superficie activa de ánodo que se extiende sobre una zona cuyas dimensiones son mucho mayores que el grosor de los elementos de ánodo alargados, formando los elementos de ánodo separados entre sí aberturas de paso de flujo alargadas en disposición horizontal para la circulación del electrolito impulsado por el escape rápido del oxígeno que se genera anódicamente.

2. Celda, según la reivindicación 1, en la que una o varias aberturas de paso de la estructura o estructuras de ánodo están dispuestas para flujo del electrolito agotado en alúmina en alejamiento de la zona de electrólisis entre los ánodos y el cátodo.

3. Celda, según la reivindicación 1 ó 2, en la que una o varias aberturas de paso de la estructura o estructuras de ánodo está dispuesta para el flujo de electrolito rico en alúmina a una zona de electrólisis entre los ánodos y el cátodo.

4. Celda, según la reivindicación 2 ó 3, en la que una parte de electrolito circula alrededor de la estructura o estructuras metálicas de ánodo.

5. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la superficie de ánodo activa es substancialmente horizontal.

6. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que la superficie activa de ánodo es substancialmente vertical.

7. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que la superficie activa de ánodo está inclinada con respecto a la horizontal.

8. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los elementos de ánodo son paletas separadas entre sí.

9. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que los elementos de ánodo son barras, varillas o alambres separados entre sí.

10. Celda, según la reivindicación 9, en la que dichas barras, varillas o alambres tienen forma general circular en sección transversal.

11. Celda, según la reivindicación 9, en la que dichas barras, varillas o alambres tienen en sección transversal una forma que en la parte superior es semicircular y plana en el fondo.

12. Celda, según la reivindicación 9, en la que dichas barras, varillas o alambres tienen una sección transversal de forma general rectangular.

13. Celda, según la reivindicación 9, en la que dichas barras, varillas o alambres tienen una forma en sección transversal acampanada o de pera.

14. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que los elementos de ánodos son paletas, barras, varillas o alambres separados entre sí que son en general rectilíneos.

15. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que los elementos de ánodo son paletas, barras, varillas o alambres separados entre sí que están dispuestos en una disposición general concéntrica, formando cada una de dichas paletas, barras, varillas o alambres, un bucle.

16. Celda, según la reivindicación 15, en la que cada una de dichas paletas, barras, varilla o alambre tienen forma general circular, oval o poligonal.

17. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que cada uno de los elementos de ánodo comprende un primer elemento de soporte eléctricamente conductor que soporta como mínimo un segundo elemento electroquímicamente activo, formando la superficie del segundo elemento la superficie electroquímicamente activa.

18. Celda, según la reivindicación 17, en la que dicho primer elemento soporta una serie de segundos elementos separados entre sí para permitir diferentes dilataciones térmicas.

19. Celda, según la reivindicación 17, en la que dicho segundo elemento está eléctrica y mecánicamente conectado a dicho primer elemento por un elemento de conexión intermedio.

20. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los elementos de ánodo están conectados entre sí por uno o varios elementos transversales de conexión.

21. Celda, según la reivindicación 20, en la que los elementos de ánodo están conectados transversalmente por una serie de elementos de conexión transversales que a su vez están conectados entre sí por uno o varios elementos de travesaño.

22. Celda, según la reivindicación 20, en la que el ánodo o ánodos comprenden un alimentador de corriente vertical dispuesto para su conexión a una barra conectora positiva que está conectada mecánica y eléctricamente a uno o varios elementos de conexión transversales o como mínimo a un elemento de travesaño que conecta una serie de elementos de conexión transversales, para llevar corriente eléctrica a los elementos de ánodo a través de los elementos de conexión transversales y, en caso de que existan, mediante los elementos de travesaño.

23. Ánodo, según la reivindicación 22, en el que el alimentador vertical de corriente, elementos de ánodo, elementos de conexión transversales y, en caso de que existan, elementos de travesaño, están fijados entre sí en forma de unidad.

24. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que como mínimo la superficie activa de ánodo del ánodo o ánodos está recubierta con un recubrimiento generador de oxígeno.

25. Celda, según la reivindicación 24, en la que dicha superficie de ánodo electroquímicamente activa está realizada en un óxido del metal, preferentemente óxido de hierro.

26. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que funciona en condiciones tales que mantiene el ánodo o ánodos dimensionalmente

\hbox{estables.}

27. Celda, según la reivindicación 1, en la que el cátodo es humectable por aluminio.

28. Celda, según la reivindicación 27, en la que el cátodo adopta una configuración con drenaje.

29. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios para facilitar la disolución de la alúmina alimentada al electro-
lito.

30. Celda, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene medios para aislar térmicamente la superficie del electrolito para impedir la formación de una costra de electrolito sobre la superficie del mismo.

31. Método para la fabricación de aluminio en una celda, según la reivindicación 1, que comprende el paso de una corriente eléctrica por los elementos de ánodo del ánodo o ánodos como corriente electrónica y desde allí a través del electrolito hacia el cátodo como corriente iónica, produciendo de este modo aluminio sobre el cátodo y oxígeno sobre la superficie electroquímicamente activa del ánodo, cuyo escape induce la circulación del electrolito a través de dichas aberturas para el paso del flujo.

32. Método, según la reivindicación 31, que comprende el mantenimiento en el electrolito de una cantidad suficiente de alúmina disuelta y uno o varios constituyentes de ánodo para mantener el ánodo o ánodos dimensionalmente estables al impedir la disolución de los mismos en el electrolito.

33. Método, según la reivindicación 31 ó 32, en el que la celda funciona a una temperatura suficientemente baja para limitar la solubilidad de los componentes del ánodo en el electrolito, limitando de esta manera la contaminación del aluminio producido por los componentes del ánodo reducidos catódicamente a un nivel aceptable.

34. Ánodo sin carbón, basado en metal, de una celda para la producción de aluminio por electrólisis, según la reivindicación 1, que comprende una estructura metálica eléctricamente conductora con una superficie de ánodo electroquímicamente activa resistente a la oxidación y al electrolito fundido que contiene fluoruro, sobre la cual, durante la electrólisis, se genera oxígeno anódicamente, estando suspendida la estructura metálica en el electrolito con su superficie activa de ánodo substancialmente paralela a una superficie plana y enfrentada de cátodo, comprendiendo dicha estructura metálica una serie de elementos de ánodo alargados horizontalmente, poseyendo cada elemento de ánodo una longitud muy superior a su grosor, estando dispuestos los elementos de ánodo paralelos entre sí, separados entre sí transversalmente en una disposición general coplanaria, poseyendo cada elemento de ánodo una superficie electroquímicamente activa, formando las superficies electroquímicamente activas de los elementos de ánodo dicha superficie de ánodo activa que se extiende en una zona cuyas dimensiones son mucho mayores que el grosor de los elementos de ánodo alargados, formando los elementos de ánodo separados entre sí aberturas de paso alargadas horizontalmente para la circulación de electrolito impulsado por el escape rápido del oxígeno generado anódicamente.

35. Ánodo, según la reivindicación 34, en el que los elementos de ánodo son paletas, barras, varillas o alambres separados entre sí.

36. Ánodo, según la reivindicación 35, en el que los elementos de ánodo son en general rectilíneos.

37. Ánodo, según la reivindicación 35, en el que los elementos de ánodo adoptan una disposición general concéntrica, formando cada elemento de ánodo un bucle.

38. Elemento de ánodo, según la reivindicación 37, en el que cada elemento de ánodo tiene forma general circular, oval o poligonal.