ES2230087T3 - Celda electrolitica con dispositivo de alimentacion mejorado de alumina. - Google Patents
Celda electrolitica con dispositivo de alimentacion mejorado de alumina.Info
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- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
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- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
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Abstract
Celda electrolítica para la electroobtención de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrólito fundido que contiene fluoruros, y la celda comprende un conjunto de ánodos sumergidos en un electrólito fundido, teniendo cada ánodo una superficie activa que produce oxígeno, de estructura de revestimiento abierta y separada de un cátodo por un espacio interelectrodo; un aislamiento térmico separado por encima de la superficie del electrólito fundido por una cavidad aislada térmicamente; y un dispositivo de alimentación de alúmina colocado por encima de la superficie del electrólito fundido para suministrar alúmina a la superficie del electrólito fundido desde la que se disuelve la alúmina a medida que entra en el electrólito para enriquecer el electrólito en alúmina disuelta, siendo electrolizado el electrólito que contiene alúmina en los espacios interelectrodo para producir gas oxígeno en los ánodos y aluminio en el cátodo, comprendiendo el dispositivo de alimentación de alúmina medios para pulverizar y/o soplar alúmina en la cavidad aislada térmicamente entre la superficie del electrólito fundido y el aislamiento térmico y sobre una extensión total de superficie del electrólito, de manera que al disolverse la alúmina pulverizada y/o soplada en el electrólito, el electrólito enriquecido en alúmina disuelta desciende hasta los espacios interelectrodo, en los que el dispositivo de alimentación de alúmina comprende medios adicionales para precalentar la alúmina y así pulverizar y/o soplar la alúmina precalentada hasta el electrólito fundido para minimizar la congelación del electrólito.
Description
Celda electrolítica con dispositivo de
alimentación mejorado de alúmina.
La presente invención se refiere a una celda para
la electroobtención de aluminio a partir de alúmina disuelta en un
electrólito fundido que contiene fluoruro, provista de un
dispositivo de alimentación de alúmina para introducir alúmina
sobre, sustancialmente, toda la superficie del electrólito fundido;
un dispositivo de alimentación de alúmina para dicha celda; y un
método de producción de aluminio en dicha celda.
La tecnología para la producción de aluminio
mediante la electrólisis de alúmina, disuelta en sales que contienen
criolita fundida, a temperaturas alrededor de 950ºC tiene más de
cien años deantigüedad. Este proceso, concebido casi
simultáneamente por Hall y Héroult, no ha evolucionado tanto como
otros procesos electroquímicos, a pesar del tremendo crecimiento en
la producción total de aluminio, que en cincuenta años ha aumentado
casi cien veces. El diseño del proceso y de la celda no han sufrido
ningún gran cambio o mejora y todavía se utilizan materiales
carbonáceos como recubrimiento de los electrodos y la celda.
Un aspecto importante de la producción de
aluminio en tales celdas reside en la manera en que la alúmina es
añadida en el electrólito fundido para su posterior disolución y
electrólisis, tal como se describe a continua-
ción.
ción.
Las celdas convencionales normalmente funcionan
con una costra de electrólito congelado sobre el electrólito
fundido. Esta costra necesita ser rota periódicamente para formar
una abertura para introducir la alúmina en el electrólito fundido
situado debajo. Se han proporcionado varios sistemas para romper
localmente la costra de electrólito congelado e introducir la
alúmina en el electrólito fundido, por ejemplo tal como se describe
en las Patentes de Estados Unidos 3.664.946
(Schaper/Springer/Kyburz), 4.049.529 (Golla), 4.437.964
(Gerphagnon/Wolter), 5.045.168 (Dalen/Kvalavag/Nagell), 5.108.557
(Nordquist), 5.294.318 (Grant/Kristoff), 5.324.408 y 5.423.968
(ambas titularidad de Kissane).
Un inconveniente de la introducción de alúmina en
el electrólito fundido por rotura inicial de la costra de
electrólito reside en la introducción de una masa de electrólito
congelado en el electrólito fundido que genera un choque térmico en
el interior. Además, una vez se ha roto la costra, se añade alúmina
fría en el electrólito fundido que, inevitablemente, congela el
baño, formando así agregados densos de alúmina y/o electrólito,
aumentando la posibilidad de formación de sedimentos.
Por consiguiente, con la tendencia hacia sistemas
más automatizados, se ha aumentado la frecuencia de alimentación de
alúmina. La alimentación puede producirse cada 20 a 90 minutos, a
veces incluso con más frecuencia, por ejemplo cada 1 a 5 minutos,
tal como se describe en la Patente de Estados Unidos 3.673.075
(Kibby), mientas que se introducen menores cantidades de alúmina en
cada alimentación. Las ventajas son, en particular, mantener una
concentración más constante de la alúmina disuelta en el electrólito
y reducir la variación de temperatura en el electrólito. Un sistema
de rotura y de alimentación automática habitual comprende un haz
rompedor de costras con funcionamiento neumático y un recipiente
mineral capaz de descargar una cantidad fija de alúmina (K.
Grjotheim y B. J. Welsh, "Aluminium: Smelter Technology", 1998,
2ª Edición, Aluminium Verlag GmbH, D-4000 Düsseldorf
1, págs. 231-232).
La Patente de Estados Unidos 5.476.574
(Welsh/Stretch/Purdie) describe un alimentador dispuesto para
introducir alúmina continuamente a una celda de electroobtención de
aluminio. El alimentador está asociado a un rompedor puntual que
funciona para mantener un orificio en una costra de electrólito
congelado en la superficie del electrólito fundido.
Para mejorar la dispersión, la disolución y el
control de la cantidad de alúmina en partículas finas introducida en
el baño electrolítico, se han desarrollado varios dispositivos de
alimentación de alúmina que suponen la fluidificación del polvo de
alúmina utilizando gas comprimido, tal como aire comprimido, por
ejemplo tal como se da a conocer en las Patentes de Estados Unidos
3.901.787 (Niizeki/Watanabe/Yamamoto/Takeuchi/Kubota), 4.498.818
(Gudmundur/Eggertsson) y 4.525.105 (Jaggi).
Aunque se han realizado esfuerzos sustanciales
para mejorar la alimentación de alúmina, tal como se ha descrito
anteriormente, dicha alimentación todavía está limitada localmente a
uno o más puntos de alimentación sobre el baño electrolítico entre
los bloques del ánodo de carbono sumergido. Además, los procesos
descritos anteriormente aún necesitan formar periódicamente o
mantener continuamente tantos orificios en la costra de electrólito
congelado por encima del baño fundido como puntos de alimentación
existen.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar una celda para la electroobtención de aluminio
provista de un dispositivo de alimentación de alúmina diseñado para
introducir alúmina en, sustancialmente, toda la superficie del
ánodo.
Un objetivo adicional de la presente invención es
proporcionar una celda para la electroobtención de aluminio provista
de un dispositivo de alimentación de alúmina diseñado para funcionar
con un electrólito fundido sustancialmente sin costras.
Otro objetivo de la presente invención es
proporcionar una celda para la electroobtención de aluminio provista
de un dispositivo de alimentación de alúmina diseñado para alimentar
y dispersar polvo de alúmina precalentado en el electrólito fundido
para minimizar el riesgo de formación de sedimentos y mejorar la
disolución de la alúmina introducida.
Todavía otro objetivo de la presente invención es
proporcionar una celda para la electroobtención de aluminio provista
de un dispositivo de alimentación de alúmina diseñado para
introducir de manera continua o intermitente alúmina en el
electrólito fundido.
Todavía un objetivo adicional de la presente
invención es proporcionar un dispositivo de alimentación de alúmina
para dichas celdas de electroobtención de aluminio, así como un
método para producir aluminio en dichas celdas.
La presente invención se refiere a una celda
electrolítica para la electroobtención de aluminio a partir de
alúmina disuelta en un electrólito fundido que contiene fluoruro. La
celda comprende un conjunto de ánodos sumergidos en el electrólito
fundido, y cada ánodo tiene una superficie activa que produce
oxígeno, de estructura de revestimiento abierta y separada de un
cátodo por un espacio interelectrodo; un aislamiento térmico
separado por encima de la superficie del electrólito fundido por una
cavidad aislada térmicamente; y un dispositivo de alimentación de
alúmina colocado sobre la superficie del electrólito fundido para
suministrar alúmina a la superficie del electrólito fundido desde la
que se disuelve la alúmina a medida que entra en el electrólito para
enriquecer el electrólito en alúmina disuelta. El electrólito que
contiene alúmina se electroliza en los espacios interelectrodo para
producir gas oxígeno en los ánodos y aluminio en el cátodo. El
dispositivo de alimentación de alúmina comprende medios para
pulverizar y/o soplar alúmina en la cavidad aislada térmicamente
entre la superficie del electrólito fundido y el aislamiento térmico
y sobre una extensión total de la superficie del electrólito, de
aquí en adelante denominada "área de alimentación de alúmina",
de manera que al disolver la alúmina pulverizada y/o soplada en el
electrólito, el electrólito enriquecido en alúmina disuelta fluye
hacia los espacios interelectrodo donde se electroliza.
Según la presente invención, el dispositivo de
alimentación de alúmina comprende además medios para precalentar la
alúmina con el fin de pulverizar y/o soplar la alúmina precalentada
en el electrólito fundido para minimizar la congelación del
electrólito.
En otras palabras, el área de alimentación del
ánodo es, como mínimo, una parte de la superficie del electrólito
cuyo tamaño es sustancialmente mayor que el de los alimentadores
puntuales convencionales. De este modo, el polvo de alúmina
introducido con este alimentador se extiende sobre una superficie de
electrólito fundido sustancialmente mayor y se puede disolver mucho
más fácilmente. El tamaño de la extensión puede ser, como mínimo,
una décima o una quinta parte del área de la superficie de la
estructura del ánodo, en particular entre un cuarto y la mitad del
área de la superficie total. Habitualmente, la extensión puede tener
un tamaño de, como mínimo, 0,1 m^{2}, tal como 0,5 ó 1 ó 2
m^{2} a 6 ó 10 m^{2} ó más.
De manera conveniente, los medios de
pulverización y/o soplado están dispuestos para pulverizar y/o
soplar alúmina en un área que corresponde, aproximadamente, a la
proyección perpendicular sobre la superficie del electrólito fundido
de la superficie activa del ánodo. Por ejemplo, un medio de
pulverización y/o soplado puede estar dispuesto para pulverizar y/o
soplar alúmina sobre una extensión que cubra completamente o, como
mínimo, parcialmente la proyección perpendicular sobre la superficie
del electrólito fundido de una superficie activa de un ánodo. El
área de alimentación de alúmina corresponde al área de alimentación
de un ánodo o varios ánodos.
En una realización, el área de alimentación del
ánodo corresponde a una proyección sobre la superficie del
electrólito de las superficies activas de los ánodos, siendo esta
proyección posiblemente menor o mayor que el área o las áreas
correspondientes de las superficies activas de los ánodos. Esta área
de alimentación del ánodo está situada, habitualmente, pero no
necesariamente, por encima de las superficies activas de los
ánodos.
El área de alimentación de alúmina normalmente
ocupa una extensión de la superficie del electrólito fundido que
puede tener, aproximadamente, el mismo tamaño que el área de las
superficies activas de los ánodos correspondientes. Sin embargo,
cuando los ánodos cooperan con medios de circulación de electrólito
especiales, por ejemplo, tal como se da a conocer en la solicitud
pendiente WO00/40782 (de Nora), el tamaño del área de alimentación
puede ser menor que el tamaño real de las superficies activas del
ánodo. En la práctica, la alúmina en polvo se puede suministrar
incluso sobre, sustancialmente, toda la superficie del electrólito
fundido.
Esto es particularmente ventajoso en
configuraciones en las que, como mínimo, una parte del electrólito
enriquecido en alúmina fluye a través de las estructuras abiertas
del ánodo hacia el espacio interelectrodo. Como mínimo, una parte
del electrólito enriquecido en alúmina puede fluir alrededor de las
estructuras abiertas del ánodo hacia el interior del espacio
interelectrodo para ser electrolizado y, a continuación, el
electrólito empobrecido en alúmina puede subir hasta el área de
alimentación a través de las estructuras abiertas del ánodo.
Tanto si la alúmina fluye alrededor de los ánodos
como si no, la disolución de alúmina mejora con dicho dispositivo de
alimentación de alúmina. La mejora no está asociada a ninguna vía de
circulación de electrólito específica. El electrólito enriquecido en
alúmina fluye desde el área de alimentación hacia abajo a través de
la estructura del ánodo, o el electrólito empobrecido en alúmina
fluye a través de la estructura del ánodo hacia arriba hasta el área
de alimentación, o ambos patrones de flujo están combinados.
Aunque el concepto de la presente invención puede
adaptarse a cualquier celda de electroobtención de aluminio, está
especialmente diseñado para celdas que funcionan con ánodos de base
metálica a temperaturas reducidas, habitualmente por debajo de
910ºC, tales como en el intervalo de 730ºC a 870ºC o de 750ºC a
850ºC, en particular celdas tales como las que se dan a conocer en
las solicitudes pendientes WO00/40781 y WO00/40782 (ambas
titularidad de de Nora), que funcionan con ánodos de tipo rejilla
que producen oxígeno y son de base metálica, provistos de aberturas
de paso verticales para la circulación de electrólito y el escape
del oxígeno producido anódicamente.
Entre los materiales adecuados para los ánodos
que producen oxígeno se incluyen aleaciones de hierro y níquel, que
se pueden tratar con calor en una atmósfera oxidante, tal como se da
a conocer en WO00/06802, WO00/06803 (ambas titularidad de Duruz/de
Nora/Crottaz), WO00/06804 (Crottaz/Duruz), PCT/IB99/01976 (Duruz/de
Nora) y PCT/IB99/01977 (de Nora/Duruz). Otros materiales para ánodos
que producen oxígeno se dan a conocer en WO99/
36593, WO99/36594, WO00/06801, WO00/06805, PCT/IB00/00028 (todas titularidad de de Nora/Duruz), WO00/
06800 (Duruz/de Nora), WO99/36591 y WO99/36592 (ambas titularidad de de Nora).
36593, WO99/36594, WO00/06801, WO00/06805, PCT/IB00/00028 (todas titularidad de de Nora/Duruz), WO00/
06800 (Duruz/de Nora), WO99/36591 y WO99/36592 (ambas titularidad de de Nora).
La cubierta de aislamiento térmico normalmente
está dispuesta para inhibir la formación de una costra de
electrólito en la superficie del electrólito fundido durante el
funcionamiento. Sin embargo, la superficie del electrólito no
necesita estar completamente libre de costra, pero como mínimo el
área de alimentación no debería tener costra de electrólito
congelado para un funcionamiento óptimo.
Además, para superar un prejuicio de la técnica
anterior, tal como se ha descrito anteriormente, se prefiere
suministrar alúmina precalentada al electrólito fundido para
minimizar la congelación del electrólito causada por el contacto con
alúmina sólida "fría" y por la reacción endotérmica de
disolución de la alúmina en el electrólito fundido. De manera ideal,
la alúmina introducida suministra, como mínimo, una parte de la
energía que se necesita para su disolución. Se puede proporcionar
calor a la alúmina durante el proceso de alimentación por contacto
con aire caliente, utilizando un calentador o, posiblemente, con un
quemador que proporcione una llama que también se puede utilizar
para pulverizar y/o soplar el polvo de alúmina. La alúmina se puede
precalentar antes de su introducción, por ejemplo calentando un
depósito en el que se almacena la alúmina y a partir del que se
distribuye al electrólito fundido por pulverización y/o soplado,
según la presente invención. De manera más general, la alúmina se
puede calentar antes y/o durante la pulverización y/o el
soplado.
El dispositivo de alimentación de alúmina puede
estar provisto de un soplador o un ventilador para pulverizar o
soplar alúmina con gas, por ejemplo aire.
Se puede utilizar alúmina obtenida a través del
proceso Bayer u otros grados adecuados de alúmina. Por ejemplo, se
pueden utilizar partículas de alúmina parcialmente deshidratadas,
alúmina modificada, y partículas de alúmina de formas y tamaños
diferentes.
Para mejorar la dispersión del polvo de alúmina
por encima de la superficie de electrólito fundido, y para facilitar
su disolución en el electrólito fundido, el polvo de alúmina está
formado, preferiblemente, por partículas en el intervalo de 20 a 200
micras (micrómetros), preferiblemente de 30 a 50 micras
(micrómetros).
En una realización de la presente invención, el
dispositivo de alimentación de alúmina comprende boquillas para
pulverizar alúmina. Habitualmente, un conjunto de boquillas está
distribuido a lo largo de, como mínimo, una tubería de alimentación
de alúmina generalmente horizontal que está dispuesta para
transportar alúmina desde un depósito de alúmina hasta las
boquillas. Las boquillas pueden estar colocadas en una disposición
lateral generalmente horizontal a lo largo de la tubería de
alimentación, con el fin de generar una dispersión horizontal de la
alúmina pulverizada, para pulverizar polvo de alúmina por encima de,
sustancialmente, toda la superficie de electrólito fundido.
El dispositivo de alimentación de alúmina puede
comprender un soplador o un ventilador, para pulverizar la alúmina
desde las boquillas con gas comprimido, preferiblemente gas
caliente, en particular aire caliente. La alúmina se puede
precalentar utilizando un radiador, tal como se ha descrito
anteriormente.
En otra realización, el dispositivo de
alimentación de alúmina puede comprender un depósito de alúmina para
distribuir la alúmina a un distribuidor desde el que, durante el
funcionamiento, se pulveriza y/o se sopla la alúmina, por ejemplo,
dicho distribuidor puede ser un distribuidor rotatorio que gira para
pulverizar la alúmina por fuerza centrífuga. El distribuidor
rotatorio puede comprender una superficie de distribución
sustancialmente horizontal y plana, por ejemplo, sustancialmente
circular, y dispuesta para girar en su propio plano. Dichos
distribuidores pueden cooperar con un ventilador y/o un soplador
para soplar alúmina desde el distribuidor con gas o una llama.
Normalmente, los medios de pulverización y/o
soplado están dispuestos para pulverizar y/o soplar alúmina hacia
los laterales, por ejemplo, las boquillas están dispuestas
sustancialmente de forma horizontal o un distribuidor de alúmina
sustancialmente horizontal, tal como se ha descrito
anteriormente.
A diferencia de los alimentadores puntuales
convencionales que distribuyen alúmina solamente a un punto de la
superficie del electrólito, el dispositivo de alimentación de
alúmina utilizado en la presente invención está dispuesto para
distribuir polvo de alúmina sobre toda una extensión de la
superficie del electrólito fundido que mejora la disolución de la
alúmina distribuida.
Además, no hay necesidad de eliminar los medios
de pulverización y/o soplado de debajo de la cubierta aislante o,
posiblemente, la costra de electrólito fundido. Normalmente, los
medios están localizados permanentemente bajo la cubierta o la
costra que pueden permanecer selladas mientras se distribuye la
alúmina al electrólito fundido para evitar pérdidas térmicas. Por el
contrario, los alimentadores convencionales están situados por
encima de la costra de electrólito fundido, y la costra se rompe
periódicamente para permitir la introducción de alúmina desde por
encima de la costra hasta el interior del electrólito fundido.
Otro aspecto de la presente invención es un
método de producción de aluminio en una celda como la que se ha
descrito anteriormente. El método comprende la pulverización y/o el
soplado de alúmina desde el dispositivo de alimentación de alúmina
sobre toda una extensión de la superficie del electrólito fundido
desde la que la alúmina se disuelve a medida que entra en el
electrólito para enriquecer el electrólito en alúmina disuelta, la
alimentación del electrólito enriquecido con alúmina hacia los
espacios interelectrodo y la electrólisis del electrólito
enriquecido con alúmina en los espacios interelectrodo para producir
oxígeno en las superficies activas de los ánodos y aluminio en el
revestimiento de un cátodo.
Por ejemplo, los medios de suministro de alúmina
comprenden un cabezal de distribución de alúmina o boquilla o
similar que se extiende a través del aislamiento térmico. Los medios
de suministro de alúmina están dispuestos para suministrar polvo de
alúmina sobre un área de la superficie del electrólito, de manera
que al disolverse la alúmina suministrada al electrólito, el
electrólito enriquecido en alúmina disuelta desciende hasta los
espacios interelectrodo donde se electroliza. Como mínimo, una parte
del electrólito enriquecido en alúmina disuelta desciende a través
de las estructuras abiertas del ánodo hasta los espacios
interelectrodo y/o el electrólito empobrecido en alúmina sube desde
los espacios interelectrodo a través de las estructuras abiertas del
ánodo.
Por lo tanto, las aberturas en la estructura del
ánodo se utilizan para hacer descender y/o subir el flujo de
electrólito desde y/o hasta el área de distribución de alúmina.
Habitualmente, el aislamiento térmico por encima
del electrólito fundido consiste en una cubierta situada y separada
sobre la superficie del electrólito fundido, por ejemplo, tal como
se da a conocer en la solicitud de patente pendiente WO99/02763 (de
Nora/Sekhar). Dicha cubierta aísla térmicamente la superficie del
electrólito fundido y evita sustancialmente la formación de una
costra de electrólito en el electrólito fundido. La cavidad aislada
térmicamente creada de esta manera entre el electrólito fundido y la
cubierta, sirve para alojar los medios de suministro de alúmina, en
particular los medios de pulverización y/o soplado, del dispositivo
de alimentación de alúmina.
Alternativamente, si la celda funciona a una
temperatura convencional (es decir, alrededor de 950ºC), el
aislamiento térmico también puede incluir una costra de electrólito,
formada por congelación del electrólito, pero que está
suficientemente separada del electrólito fundido para permitir la
inserción de los medios de suministro de alúmina, en particular los
medios de pulverización y/o soplado, entre el electrólito fundido y
la costra, siendo mantenido el nivel de electrólito fundido a un
nivel suficientemente por debajo de la costra. Sin embargo, las
celdas que funcionan a temperatura reducidas (es decir,
habitualmente entre 730ºC y 870ºC o entre 750ºC y 850ºC) deberían
tener una cubierta aislante sobre el electrólito fundido, ya que a
tales temperaturas, el electrólito fundido no suele formar una
costra rígida sino una capa similar a un gel.
En los dibujos:
- La figura 1 es una vista en alzado lateral de
un dispositivo de alimentación de alúmina provisto con una serie de
boquillas para pulverizar polvo de alúmina, según la presente
invención;
- la figura 2 ilustra una celda de
electroobtención de aluminio que está provista, según la presente
invención, de un dispositivo de alimentación de alúmina similar al
dispositivo de alimentación que se muestra en la figura 1;
- la figura 3 muestra otro dispositivo de
alimentación de alúmina provisto de una superficie de distribución
plana y horizontal, según la presente invención, colocada sobre una
celda de electroobtención de aluminio de la que solamente se muestra
la cubierta; y
- la figura 4 muestra una sección transversal de
una celda provista de un dispositivo de alimentación de alúmina
similar al dispositivo de alimentación que se muestra en la figura
3.
La figura 1 muestra un dispositivo de
alimentación de alúmina (10) según la presente invención. El
dispositivo de alimentación de alúmina (10) está provisto de un
depósito de alúmina (15) conectado al extremo superior de una
tubería de suministro de alúmina vertical (20). El extremo inferior
de la tubería de suministro de alúmina (20) está conectado a una
tubería de alimentación de alúmina (21) que está provista de una
serie de boquillas de alimentación de alúmina (25) para pulverizar
bajo presión polvo de alúmina a un electrólito fundido situado
debajo (no mostrado).
La tubería de alimentación de alúmina (21)
también está conectada a una fuente de gas caliente comprimido (30),
tal como un ventilador o soplador, a través de una tubería de gas
(22) para transportar un flujo de gas desde el ventilador/soplador
(30) hasta la tubería de alimentación (21).
Una compuerta de alúmina (16) localizada en la
tubería de suministro de alúmina (20) controla el suministro de
alúmina desde el depósito de alúmina (15) a través de la tubería de
suministro (20) hasta la tubería de alimentación (21). Una compuerta
de gas (31) está localizada en la tubería de gas (22) para controlar
el flujo de gas desde el ventilador/soplador (30) hasta la tubería
de alimentación (21) a través de la tubería de gas (22).
Durante el funcionamiento, el polvo de alúmina se
suministra desde el depósito de alúmina (15) a través de la tubería
de suministro (20) hasta la tubería de alimentación (21) y se
inyecta el gas desde el ventilador/soplador (30) a través de la
tubería de gas (22) hasta la tubería de alimentación (21). El gas
transporta el polvo de alúmina a lo largo de la tubería de
alimentación (21) para su pulverización a través de las boquillas
(25) sobre un electrólito fundido situado debajo.
La figura 2 ilustra una celda de electroobtención
de aluminio (40) provista de ánodos que producen oxígeno (60)
sumergidos en un electrólito fundido que contiene fluoruro (50)
entre 730ºC y 960ºC. Los ánodos (60) están situados delante de y
separados de una superficie de un cátodo humectable por aluminio y
drenada (70) por un espacio ánodo-cátodo. La
superficie del cátodo drenada (70) conduce a un surco colector de
aluminio (80) para la recogida del aluminio fundido producido. La
superficie del cátodo (70) está recubierta, preferiblemente, de una
capa humectable por aluminio aplicada en suspensión, por ejemplo,
tal como se da a conocer en la PCT/IB99/01982 (de Nora/Duruz) o en
la Patente de Estados Unidos 5.651.874 (de Nora/Sekhar).
Los ánodos (60) comprenden una serie de aberturas
de paso verticales para la rápida liberación del oxígeno producido
anódicamente y para el descenso del electrólito enriquecido en
alúmina (52) al espacio ánodo-cátodo para la
electrólisis, por ejemplo, tal como se describe en las solicitudes
pendientes WO00/40781 y WO00/40782 (ambas titularidad de de
Nora).
Tal como se da a conocer en estas dos
solicitudes, los ánodos adecuados pueden tener una estructura activa
de ánodo con orificios, horizontal, inclinada o posiblemente
vertical. La estructura activa de ánodo puede estar fabricada con
una serie de miembros de ánodo generalmente electroquímicamente
activos, coplanares, separados y paralelos, en particular una
disposición de tipo rejilla, red o malla, permitiendo la circulación
del electrólito a su través. De manera ventajosa, la estructura
activa del ánodo coopera con los miembros de guía del electrólito,
promoviendo la circulación del electrólito, en particular la
circulación de electrólito enriquecido en alúmina a través de la
estructura activa de ánodo hasta el espacio interelectrodo y/o de
electrólito empobrecido en alúmina desde el espacio interelectrodo
hacia la superficie de electrólito fundido. Los miembros guía del
electrólito pueden estar fabricados con deflectores inclinados de
forma adecuada o con un dispositivo similar a un embudo.
Según una realización preferida de la presente
invención, la celda (40) está cubierta de una cubierta aislante (45)
para mantener la superficie (51) del electrólito (50) a una
temperatura suficiente para inhibir la formación de una costra en su
superficie, por ejemplo, tal como se da a conocer en la solicitud de
patente pendiente WO99/02763 (de Nora/Sekhar).
La celda (40) está provista, además, de un
dispositivo de alimentación de alúmina (10) que tiene un tornillo de
Arquímedes vertical (17), en lugar de la compuerta de alúmina (16)
mostrada en la figura 1, para dosificar el polvo de alúmina (55) a
distribuir desde el depósito de alúmina (15) hasta la superficie
(51) del electrólito fundido (50).
El dispositivo de alimentación (10) también
comprende, tal como se muestra en la figura 2, un
ventilador/soplador (30), una tubería de suministro (20) y una
tubería de gas como en la figura 1, pero que está oculta por el
ventilador/soplador (30), todos localizados sobre la cubierta
aislante (45). Una tubería de alimentación (21) conectada a la
tubería de suministro (20) y a la tubería de gas se extiende a
través de la cubierta aislante (45), de manera que una serie de
boquillas de alimentación de alúmina (25) situadas lateralmente a lo
largo de la tubería de alimentación (21) está localizada sobre la
superficie fundida (51) del electrólito (50) y debajo de la cubierta
aislante (45).
Durante el funcionamiento de la celda mostrada en
la figura 2, se dosifica una cantidad de polvo de alúmina (55) de
manera intermitente o continua a través de la tubería de suministro
(20) hacia el interior de la tubería de alimentación (21)
conduciendo el tornillo de Arquímedes vertical (17). De manera
simultánea o posteriormente, se inyecta gas caliente desde el
ventilador/soplador (30) a través de la tubería de gas hasta la
tubería de alimentación (21). El gas inyectado transporta el polvo
de alúmina (55) a lo largo de la tubería de alimentación (21). A
continuación, una mezcla (55') de gas y polvo de alúmina (55)
dispersada allí se pulveriza bajo presión a través de las boquillas
(25) hasta la superficie (51) del electrólito fundido (50) sobre los
ánodos que producen oxígeno (60), donde se disuelve.
El electrólito enriquecido en alúmina (52)
desciende a través de las aberturas de los ánodos (60) hasta el
espacio entre los ánodos (60) y la superficie del cátodo (70), donde
se electroliza para producir oxígeno en los ánodos (60) y aluminio
fundido en la superficie del cátodo (70). El aluminio fundido
producido se evacua desde la superficie del cátodo (70) hasta el
surco de recogida de aluminio (80). El electrólito empobrecido en
alúmina resultante de la electrólisis es conducido por el oxígeno
producido anódicamente (no mostrado) desde abajo y a través de los
ánodos (60) hacia la superficie del electrólito fundido (51), donde
se enriquece con alúmina disuelta.
La figura 3 muestra un dispositivo de
alimentación de alúmina (10) colocado en una celda de
electroobtención de aluminio (mostrado parcialmente) provisto de una
cubierta de aislamiento térmico (45) que permite el funcionamiento
de la celda con una superficie de electrólito fundido que,
sustancialmente, no tiene costra (tal como se muestra en la figura
2).
El dispositivo de alimentación de alúmina (10)
comprende un depósito de alúmina (15) cuyo fondo conduce a una serie
de tuberías de suministro de alúmina verticales (20). Las tuberías
de suministro de alúmina verticales (20) se extienden desde el
depósito de alúmina (15) hasta por debajo de la cubierta aislante
(45). La dosificación del polvo de alúmina (55) desde el depósito
(15) hasta cada tubería de suministro (20) se controla con un
tornillo de Arquímedes vertical (17), indicado esquemáticamente, que
está localizado a la entrada de cada tubería de suministro (20).
Por debajo del extremo inferior de cada tubería
de suministro de alúmina (20) está suspendido un distribuidor de
alúmina (26) sobre la superficie de un electrólito fundido (no
mostrado). Cada distribuidor de alúmina (26) está provisto de una
superficie de distribución sustancialmente plana, desde la cual se
puede pulverizar el polvo de alúmina (55).
Cada tubería de suministro de alúmina (20)
también está conectada a una fuente de gas caliente (30) dispuesta
para pulverizar o soplar polvo de alúmina (55) desde el distribuidor
de alúmina (26) hasta la superficie de electrólito fundido.
Para este propósito, de manera similar a los
dispositivos de alimentación (10) mostrados en las figuras 1 y 2, un
ventilador/soplador (30) está conectado a través de una tubería de
gas (22) y una serie de tuberías de desviación (23) hasta las
tuberías de suministro (20). Cada tubería de desviación (23) está
provista de una compuerta de gas (31) que controla el flujo de gas
desde la tubería de gas (22) hasta la tubería de suministro de
alúmina (20) y, posteriormente, sobre el distribuidor de alúmina
(26).
Durante el funcionamiento de la celda, el polvo
de alúmina (55) se distribuye periódica o continuamente desde el
depósito de alúmina (15) hasta el distribuidor de alúmina (26)
manejando los tornillos de Arquímedes (17). Se proporciona gas frío
o, preferiblemente caliente, desde el ventilador/soplador (30) a
través de la tubería de gas (22), las tuberías de desviación (31) y
las tuberías de suministro de alúmina (20) verticalmente hacia abajo
sobre los distribuidores de alúmina (26) abriendo las compuertas de
gas (31). La alúmina en polvo (55) acumulada sobre los
distribuidores de alúmina (26) se pulveriza o se sopla
periódicamente sobre la superficie del electrólito fundido por el
gas o la llama. Alternativamente, la alúmina en polvo (55) puede ser
pulverizada o soplada continuamente desde los distribuidores (26),
evitando allí la acumulación de alúmina (55).
La figura 4 muestra una sección transversal
vertical de una parte de una celda (40) similar a la celda mostrada
parcialmente en la figura 3, sin embargo, provista de un dispositivo
de alimentación de alúmina modificado (10).
Igual que en la figura 3, el dispositivo de
alimentación de alúmina mostrado en la figura 4 comprende un
depósito de alúmina (15) para contener el polvo de alúmina (55),
tornillos de Arquímedes (17) para dosificar intermitente o
continuamente una cantidad de polvo de alúmina (55) a distribuir
mediante las tuberías de suministro (20) a los distribuidores de
alúmina (26) desde donde se pulveriza o se sopla mediante gas frío
o, preferiblemente, caliente. A diferencia del dispositivo de
alimentación de alúmina (10) mostrado en la figura 3 provisto de un
ventilador/soplador individual (30), cada tubería de suministro (20)
de la figura 4 está provista de un ventilador/soplador individual
(30) que está conectado a ésta directamente a través de una tubería
de gas (22).
Los ánodos (60) mostrados en la figura 4 son
similares a los ánodos que producen oxígeno mostrados en la figura
2 y están delante de una superficie catódica (70) sobre la que se
produce aluminio durante el funcionamiento.
La celda (40) mostrada en la figura 4 puede
funcionar con una mezcla catódica profunda o poco profunda de
aluminio fundido por encima de la superficie catódica (70), o en una
configuración drenada por tener una superficie catódica drenada y
humectable por aluminio (70), tal como se ha descrito
anteriormente.
Claims (20)
1. Celda electrolítica para la electroobtención
de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrólito fundido
que contiene fluoruros, y la celda comprende un conjunto de ánodos
sumergidos en un electrólito fundido, teniendo cada ánodo una
superficie activa que produce oxígeno, de estructura de
revestimiento abierta y separada de un cátodo por un espacio
interelectrodo; un aislamiento térmico separado por encima de la
superficie del electrólito fundido por una cavidad aislada
térmicamente; y un dispositivo de alimentación de alúmina colocado
por encima de la superficie del electrólito fundido para suministrar
alúmina a la superficie del electrólito fundido desde la que se
disuelve la alúmina a medida que entra en el electrólito para
enriquecer el electrólito en alúmina disuelta, siendo electrolizado
el electrólito que contiene alúmina en los espacios interelectrodo
para producir gas oxígeno en los ánodos y aluminio en el cátodo,
comprendiendo el dispositivo de alimentación de alúmina medios para
pulverizar y/o soplar alúmina en la cavidad aislada térmicamente
entre la superficie del electrólito fundido y el aislamiento térmico
y sobre una extensión total de superficie del electrólito, de manera
que al disolverse la alúmina pulverizada y/o soplada en el
electrólito, el electrólito enriquecido en alúmina disuelta
desciende hasta los espacios interelectrodo, en los que el
dispositivo de alimentación de alúmina comprende medios adicionales
para precalentar la alúmina y así pulverizar y/o soplar la alúmina
precalentada hasta el electrólito fundido para minimizar la
congelación del electrólito.
2. Celda electrolítica, según la reivindicación
1, en la que, como mínimo, parte del electrólito enriquecido en
alúmina disuelta desciende a través de las estructuras abiertas de
ánodo hasta los espacios interelectrodo.
3. Celda electrolítica, según la reivindicación 1
ó 2, en la que el electrólito empobrecido en alúmina sube desde los
espacios interelectrodo a través de las estructuras abiertas de
ánodo.
4. Celda electrolítica, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que los medios para pulverizar
y/o soplar alúmina están dispuestos para pulverizar y/o soplar
alúmina hacia los laterales entre la superficie del electrólito
fundido y el aislamiento térmico.
5. Celda electrolítica, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que dicha extensión sobre la que
se distribuye la alúmina tiene un tamaño de, como mínimo, 0,1
m^{2}.
6. Celda electrolítica, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que los medios de pulverización
y/o soplado están dispuestos para pulverizar y/o soplar alúmina
sobre una extensión que cubre, como mínimo, parte de la proyección
perpendicular sobre la superficie del electrólito fundido en una
superficie activa de ánodo.
7. Celda electrolítica, según la reivindicación
6, en la que los medios de pulverización y/o soplado están
dispuestos para pulverizar y/o soplar alúmina en un área que
corresponde, aproximadamente, a la proyección perpendicular sobre la
superficie del electrólito fundido en una superficie activa de
ánodo.
8. Celda electrolítica, según la reivindicación
7, en la que el dispositivo de alimentación de alúmina está
dispuesto para distribuir polvo de alúmina sobre sustancialmente
toda la superficie del electrólito fundido.
9. Celda electrolítica, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo de
alimentación de alúmina comprende boquillas para pulverizar
alúmina.
10. Celda electrolítica, según la reivindicación
9, en la que el dispositivo de alimentación de alúmina comprende un
conjunto de boquillas que están distribuidas a lo largo de, como
mínimo, una tubería de alimentación de alúmina.
11. Celda electrolítica, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo de
alimentación de alúmina comprende un ventilador o un soplador para
pulverizar alúmina.
12. Celda electrolítica, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo de
alimentación de alúmina comprende un depósito de alúmina para
distribuir alúmina sobre un distribuidor desde el cual, durante el
funcionamiento, se pulveriza y/o sopla alúmina.
13. Celda electrolítica, según la reivindicación
12, en la que el distribuidor es un distribuidor rotatorio que gira
para pulverizar alúmina mediante la fuerza centrífuga.
14. Celda electrolítica, según la reivindicación
13, en la que el distribuidor rotatorio comprende una superficie de
distribución sustancialmente plana y horizontal dispuesta para girar
en su propio plano.
15. Celda electrolítica, según la reivindicación
14, en la que la superficie de distribución es sustancialmente
circular.
16. Celda electrolítica, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo de
alimentación de alúmina comprende un calentador dispuesto para
calentar alúmina antes y/o durante la pulverización y/o soplado.
17. Celda electrolítica, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el aislamiento térmico
comprende una cubierta de aislamiento térmico.
18. Celda electrolítica, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el aislamiento térmico
incluye una costra de electrólito congelado.
19. Método de producción de aluminio en una
celda, tal como se define en cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, que comprende la pulverización y/o soplado de alúmina
desde el dispositivo de alimentación de alúmina sobre la superficie
del electrólito desde la cual la alúmina se disuelve a medida que
entra en el electrólito para enriquecer el electrólito en alúmina
disuelta, la distribución del electrólito enriquecido con alúmina
hasta los espacios interelectrodo, y la electrólisis del electrólito
enriquecido con alúmina en los espacios interelectrodo para producir
aluminio sobre, como mínimo, un cátodo y gas oxígeno en los
revestimientos de los ánodos.
20. Método, según la reivindicación 19, que
comprende la pulverización y/o soplado de partículas de alúmina,
cuyos tamaños se encuentran entre 20 y 200 micras, en particular
entre 30 y 50 micras.
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