IT201900011532A1 - Processo di produzione di alluminio metallico - Google Patents

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Tullia Zucca
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“PROCESSO DI PRODUZIONE DI ALLUMINIO METALLICO”
La presente invenzione è relativa a un processo di produzione di alluminio metallico, e opzionalmente di altri metalli, a partire da composti di alluminio contenenti ossigeno ed eventualmente altri metalli.
L’alluminio metallico è generalmente prodotto su scala industriale a partire da minerale, in particolare da bauxite (cosiddetto alluminio primario); o dalla rifusione e riciclo di rottami di alluminio (cosiddetto alluminio secondario).
La produzione di alluminio primario da minerale comprende tipicamente due stadi: dapprima si ottiene allumina (Al2O3) dalla bauxite trattata con idrossido di sodio (processo Bayer); successivamente alluminio puro viene estratto dall’allumina attraverso un processo elettrolitico (processo Hall-Hèroult).
Nonostante i significativi progressi tecnologici occorsi nel settore, i processi noti non sono pienamente soddisfacenti, in particolare a causa degli elevati consumi energetici che comporta l’elettrolisi dell’allumina.
Inoltre, i processi noti non sono pienamente idonei a trattare come materia prima, anziché ossido di alluminio, altri composti di alluminio.
È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un processo per la produzione di alluminio metallico a partire da ossidi di alluminio o, più in generale, da composti di alluminio contenenti ossigeno (ed eventualmente altri metalli), che sia privo degli inconvenienti della tecnica nota.
In particolare, è uno scopo del trovato quello di fornire un processo di produzione di alluminio metallico che sia pienamente efficace, particolarmente efficiente dal punto di vista energetico, versatile (permettendo di trattare una varietà di composti dell’alluminio).
La presente invenzione è dunque relativa a un processo di produzione di alluminio metallico come definito in termini essenziali nell’annessa rivendicazione 1 e, nei suoi caratteri addizionali, nelle rivendicazioni dipendenti.
Il processo dell’invenzione è pienamente efficace nella produzione di allumino metallico puro e può impiegare come materia prima, oltre che ossido di alluminio, anche altri composti di allumino contenenti ossigeno, anche contenti altri metalli.
Il processo dell’invenzione è poi particolarmente efficiente dal punto di vista energetico, in particolare s confrontato con i tradizionali processi elettrolitici.
Il processo dell’invenzione si basa essenzialmente su una reazione di riduzione dell’alluminio condotta per via termica (cioè tramite un trattamento termico e non elettrolitico).
I reagenti della reazione di riduzione sono una materia prima contenente alluminio (in particolare in forma di ossidi di alluminio, e opzionalmente altri ossidi metallici); e almeno un agente riducente, preferibilmente un agente riducente contenente carbonio.
In generale, la materia prima contenente alluminio trattata nel processo secondo l’invenzione può comprendere uno o più composti di alluminio contenenti ossigeno, anche in presenza di altri metalli, da soli o in miscela tra loro in qualsiasi rapporto ponderale.
Per esempio, la materia prima trattata può comprendere uno o più di: ossido di alluminio Al2O3, Al2MgO4 spinello, composto misto AlMgFeO spinello, bayerite Al(OH)3, loro miscele.
La materia prima trattata può comprendere poi, in particolare, ossido di magnesio e/o altri ossidi metallici in qualsiasi rapporto ponderale con i composti contenenti alluminio.
Ad esempio, una materia prima comune può comprendere una miscela contenente 56% di Al2MgO4 spinello, 12% di AlMgFeO spinello e 8% Bayerite (temperatura di fusione 300 °C).
La reazione di riduzione viene condotta in particolare in una camera di reazione che accoglie i reagenti (materia prima contenente alluminio e agente riducente) e dove si mantiene un ambiente riducente e viene raggiunta e mantenuta una temperatura di reazione prefissata.
La reazione di riduzione in ambiente riducente è condotta in particolare usando come reagente un agente riducente contenente carbonio, in forma per esempio di carbone, metano o altro composto o sostanza contenente carbonio; chiaramente, possono essere impiegati uno o più agenti riducenti.
Vantaggiosamente, i reagenti (materia prima contenente alluminio e reagente contenente carbonio, per esempio carbone o metano) sono immessi nella camera di reazione in forma solida particellare, con particelle di dimensioni preferibilmente inferiori ad alcuni millimetri o anche inferiori al millimetro.
Preferibilmente, i reagenti sono posti a contatto uno dell’altro, preferibilmente dispersi uno nell’altro in modo che le particelle dei reagenti siano in intimo contatto.
Preferibilmente, la camera di reazione viene mantenuta a una temperatura di reazione minima di circa 2040°C.
La temperatura di reazione può comunque anche essere superiore, in particolare fino a circa 2500°C.
Se la materia prima contenente alluminio che viene trattata nella camera di reazione contiene, oltre all’ossido di alluminio, altri composti dell’alluminio e/o composti misti di alluminio e altri metalli, e/o composti di altri metalli, la temperatura di reazione sarà conseguentemente modulata, anche in base ai rapporti ponderali dei vari metalli presenti nella materia prima, per ottenere la riduzione dei metalli presenti.
Il processo dell’invenzione può essere continuo o discontinuo. In ogni caso, la temperatura di reazione deve essere mantenuta per un tempo di contatto fra i reagenti sufficiente a raggiungere prefissate energie di soglia sull’intera massa di materia prima interessata alla reazione di riduzione.
In particolare, la reazione di riduzione è condotta con:
Variazione dell’Energia Libera di Gibbs Delta G (2040°C) = - 2,5 kJ (reazione spontanea a questo valore negativo),
Variazione dell’Entalpia Delta H (2040°C) = 1307,4 kJ (valore positivo per reazione chimica endotermica).
Se il processo dell’invenzione è applicato su masse relativamente piccole di reagenti (materia prima contenente alluminio e reagente contenente carbonio), le condizioni sopra indicate sono ottenute in maniera relativamente semplice anche a parità di pressione, e quindi sono sufficienti tempi di contatto molto brevi, dell’ordine di secondi o addirittura di frazioni di secondo.
Se invece si opera con masse di reagenti più grandi, come avviene tipicamente a livello industriale, può essere più difficile mantenere stazionarie, in ogni punto della massa in cui i reagenti sono in contatto, le condizioni sopra indicate, per cui servono tempi di reazione più lunghi, dell’ordine di alcuni minuti. I tempi di reazione si possono accorciare operando con reagenti in forma di particelle fini (di dimensioni medie inferiori al millimetro) in intimo contatto.
Per motivi di sicurezza (per evitare possibili rischi di esplosione) si può però anche operare con tempi di contatto più lunghi e dimensioni delle particelle dei reagenti più grandi (alcuni millimetri).
In certe forme di attuazione, in particolare se la materia prima da trattate comprende Al2MgO4 spinello (avente una temperatura di fusione di 2135°C) e/o AlMgFeO spinello, che hanno temperature di reazione di riduzione diverse da Al2O3, la temperatura di reazione viene selezionata a seconda dei rapporti ponderali specifici.
La temperatura di reazione per una specifica materia prima può anche essere individuata, per esempio, tramite misurazione della portata di monossido di carbonio (CO) gassoso prodotto: infatti, il monossido di carbonio gassoso è il sottoprodotto comune della reazione di riduzione di tutti gli ossidi metallici presenti e dalla misurazione della portata di CO gassoso si rileva istantaneamente il grado di avanzamento della reazione. Quando si osserva una colata di alluminio metallico fuso si ha conferma che si è raggiunta la temperatura di riduzione idonea alla miscela dei composti ossidati.
Il metodo dell’invenzione, come già evidenziato, è valido per qualsiasi rapporto ponderale fra le varie molecole di ossidi e le percentuali reciproche non inficiano la reazione di riduzione.
Per qualsiasi miscela si può selezionare la temperatura di reazione più appropriata, ma in ogni caso la temperatura di reazione sarà superiore a 2040°C di livello termico minimo e non superiore a 2500°C.
In questo modo, se è presente MgO (è comune averne in rapporto ponderale attorno al 5%) si rimarrà lontani dalla temperatura di fusione dell’ossido di magnesio (2852°C), ottenendo quindi la sua separazione e purificazione dalla colata di alluminio metallico.
In una preferita forma di attuazione (ma non necessariamente), la reazione di riduzione è condotta in una camera al plasma in cui la temperatura prefissata richiesta per la reazione di riduzione è raggiunta e mantenuta tramite una torcia al plasma.
Come noto, il plasma è il quarto stato della materia, dopo quello solido, liquido e gassoso: nel plasma, le particelle di materia vengono a conservare debolissimi legami chimico–fisici fra loro.
In pratica, le particelle di materia portate fra due elettrodi ad elevate temperature raggiungono esse stesse lo stato di plasma, così i legami dei metalli con l’ossigeno, anche quello così forte in condizioni ambientali comuni come in Al2O3 e altri similari, si allentano consentendo ad un agente riducente come il carbonio di sostituirsi ai metalli nel legame con l’ossigeno.
Nella camera di reazione si mantiene un ambiente riducente dosando opportunamente l’agente riducente contenente carbonio (carbone, metano o altro elemento riducente), in misura stechiometricamente in eccesso rispetto agli ossidi metallici da ridurre (presenti nella materia prima da trattare). In questo modo si favorisce lo spostamento della reazione di riduzione. Anche la rimozione dei prodotti di reazione dall’equilibrio funge da ulteriore elemento accelerante.
In particolare, è vantaggioso estrarre CO dai gas di scarico (gas di sintesi), raffreddando la zona dove può avvenire la sublimazione del metallo ridotto e la sua ricombinazione con l’ossigeno.
Il gas utilizzato nel plasma è un gas (o miscela di gas) inerte, come argo o azoto o altro gas inerte.
Oltre che essere inerte per non entrare in alcun modo nelle reazioni che avvengono nella camera di reazione, il gas inerte viene dosato in modo da mantenere i rapporti percentuali fra gli altri elementi presenti sempre fuori da possibili limiti di esplosività.
Nella camera di reazione si produce alluminio metallico ridotto, che viene prelevato dalla camera di reazione allo stato liquido, insieme ad altri metalli eventualmente presenti e pure ridotti.
Se necessario, i vari metalli sono poi separati e/o purificati.
Nella camera di reazione si sviluppa una fase gassosa contenente fumi, gas di scarico, eventuali composti non reagiti, gas inerti, eccetera, che viene prelevata dall’alto della camera di reazione.
Vantaggiosamente, la fase gassosa uscente dalla camera di reazione è sottoposta come detto a una fase di raffreddamento rapido, per esempio fino a una temperatura di circa 500°C o inferiore, mantenendo sempre un’atmosfera riducente, per evitare che l’allumino e/o altri metalli eventualmente presenti nella fase gassosa sublimino o reagiscono con ossigeno.
La fase gassosa uscente dalla camera di reazione, essendo comunque ad alta temperatura, può inoltre essere vantaggiosamente sfruttata per recuperare calore in una fase di recupero termico, per esempio in uno scambiatore di calore.
Resta infine inteso che al processo qui descritto ed illustrato possono essere apportate ulteriori modifiche e varianti che non escono dall’ambito delle annesse rivendicazioni.

Claims (14)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Processo per la produzione di alluminio metallico, e opzionalmente di altri metalli, a partire da composti di alluminio contenenti ossigeno ed eventualmente altri metalli, caratterizzato dal fatto di comprendere una reazione di riduzione chimica dell’alluminio condotta in una camera di reazione a una temperatura di reazione prefissata e in un ambiente riducente su una materia prima contenente alluminio e ossigeno e in presenza di almeno un agente riducente; la temperatura di reazione essendo raggiunta tramite trattamento termico per fornire calore a detta materia prima fino a raggiungere la temperatura di reazione.
  2. 2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui la reazione di riduzione è condotta a una temperatura di reazione di almeno circa 2040°C.
  3. 3. Processo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la temperatura di reazione è compresa tra circa 2000° e circa 2500°C.
  4. 4. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la materia prima comprende uno o più composti di alluminio contenenti ossigeno, anche in presenza di altri metalli, da soli o in miscela tra loro in qualsiasi rapporto ponderale.
  5. 5. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la materia prima comprende uno o più di: ossido di alluminio Al2O3, Al2MgO4 spinello, composto misto AlMgFeO spinello, bayerite Al(OH)3, loro miscele.
  6. 6. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la materia prima comprende inoltre ossido di magnesio e/o altri ossidi metallici in qualsiasi rapporto ponderale con i composti di alluminio.
  7. 7. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la reazione di riduzione è condotta usando come agente riducente carbonio, in forma per esempio di carbone, metano o altro composto o sostanza contenente carbonio.
  8. 8. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la reazione di riduzione è condotta in una camera al plasma in cui la temperatura di reazione è raggiunta tramite una torcia al plasma.
  9. 9. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la materia prima contenente alluminio e l’agente riducente sono immessi nella camera di reazione in forma solida particellare.
  10. 10. Processo secondo la rivendicazione 9, in cui la materia prima contenente alluminio e l’agente riducente sono posti a contatto uno dell’altro, preferibilmente dispersi uno nell’altro in modo che le rispettive particelle siano in intimo contatto.
  11. 11. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la reazione di riduzione è condotta con l’agente riducente in misura stechiometricamente in eccesso rispetto agli ossidi metallici da ridurre presenti nella materia prima.
  12. 12. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente una fase di prelevare dalla camera di reazione alluminio metallico ridotto allo stato liquido, insieme ad altri metalli eventualmente presenti e pure ridotti nella reazione di riduzione.
  13. 13. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente una fase di prelevare dalla camera di reazione una fase gassosa e sottoporre detta fase gassosa a una fase di raffreddamento rapido, per esempio fino a una temperatura di circa 500°C o inferiore, mantenendo un’atmosfera riducente in modo da evitare che allumino e/o altri metalli eventualmente presenti nella fase gassosa sublimino o reagiscono con ossigeno.
  14. 14. Processo secondo la rivendicazione 13, comprendente una fase di recupero termico per recuperare calore dalla fase gassosa.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4033757A (en) * 1975-09-05 1977-07-05 Reynolds Metals Company Carbothermic reduction process
DE2737720A1 (de) * 1976-08-23 1978-03-02 Tetronics Res & Dev Co Ltd Verfahren zur carbothermischen reduktion von aluminiumoxid
US4486229A (en) * 1983-03-07 1984-12-04 Aluminum Company Of America Carbothermic reduction with parallel heat sources

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2547204C2 (de) * 1975-10-22 1986-01-16 Reynolds Metals Co., Henrico County, Va. Carbothermisches Verfahren zur Gewinnung von Aluminium
NO306998B1 (no) * 1998-02-26 2000-01-24 Norsk Hydro As Fremgangsmåte for fremstilling av aluminium

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4033757A (en) * 1975-09-05 1977-07-05 Reynolds Metals Company Carbothermic reduction process
DE2737720A1 (de) * 1976-08-23 1978-03-02 Tetronics Res & Dev Co Ltd Verfahren zur carbothermischen reduktion von aluminiumoxid
US4486229A (en) * 1983-03-07 1984-12-04 Aluminum Company Of America Carbothermic reduction with parallel heat sources

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HALMANN ET AL: "Carbothermal reduction of alumina: Thermochemical equilibrium calculations and experimental investigation", ENERGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 32, no. 12, 20 September 2007 (2007-09-20), pages 2420 - 2427, XP022370692, ISSN: 0360-5442, DOI: 10.1016/J.ENERGY.2007.06.002 *
HALVOR KVANDE ET AL: "The Aluminum Smelting Process and Innovative Alternative Technologies :", JOURNAL OF OCCUPATIONAL AND ENVIRONMENTAL MEDICINE., vol. 56, 1 May 2014 (2014-05-01), US, pages S23 - S32, XP055669584, ISSN: 1076-2752, DOI: 10.1097/JOM.0000000000000062 *

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