NO300600B1 - Fremstilling av aluminium - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en ny fremgangsmåte for fremstilling av aluminium ved en termo-mekanisk fremgangsmåte i et reaktorkammer hvor aluminiumoksyd eller andre aluminiumforbindelser underkastes en intens bevegelse og vibrasjon slik at det derved genereres varme i materialet.

Aluminium fremstilles i dag i stor-skala-anlegg verden over ved forskjellige elektrolytiske prosesser ved anvendelse av elektrisk energi som hovedkilde for de elektrolytiske reaksjonene. Elektrolytten etableres ved å tilsette kryolitt til et aluminiumoksydbad ved en temperatur på ca. 800°C. Karbon anvendes som elektroder.

Hovedfordelen ved fremgangsmåten er at den er velutviklet og drives under stabile betingelser. Den anses videre som den billigste måten for fremstilling av aluminium fra aluminiumoksyd (AI2O3) som oppnås fra aluminiumhydroksyd A1(0H)3.

Ulempen ved prosessene er at de er meget energikrevende. Teoretisk må det anvendes ca. 8,5 kWh energi for hver kg aluminium i den elektrolytiske prosessen, men på grunn av varme- og energitapet i prosessen er energimengden i praksis normalt i størrelsesområdet 12 kWh pr. kg. Omfattende forskning finner sted verden over for å forbedre energi-effektiviteten, og selv en liten reduksjon medfører meget betydelige økonomiske fordeler på grunn av den store mengden energi som anvendes. I tillegg til energikostnaden påvirkes prisen på aluminium også av kostnadene i forbindelse med kryolitt- og karbonforbruk og store gassrenseanlegg.

Foreliggende oppfinnelse beskriver en fremgangsmåte for å oppnå produksjon av aluminium fra aluminiumforbindelser ved andre fremgangsmåter enn de som hittil er kjente fra industrien. Formålet ved fremgangsmåten er å oppnå en høy-effektiv spaltning av aluminiumforbindelser til aluminium og vann ved lavt trykk og temperatur med et energibehov som er lavere enn ved enhver annen kjent fremgangsmåte og uten anvendelse av kryolitt og uten utslipp av toksiske gasser.

Ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en termo-mekanisk fremgangsmåte for fremstilling av aluminium fra aluminiumforbindelser, kjennetegnet ved at aluminiumoksyd eller lignende aluminiumforbindelser oppvarmes ved hjelp av friksjonen som genereres ved mekaniske krefter fra en roterende og/eller omrørende innretning inne i et prosesskammer, sammen med enten fritt vann eller vanndannende bestanddeler i aluminiumforbindelsen og et hydrogengivende materiale eller karbon på en slik måte at materialet i reaktorkammeret oppfører seg som et varmt, mekanisk etablert fluidisert sjikt, hvorved vannet kan spaltes i hydroksyl- og hydrogenradikaler hvorved hydrogenradikalene reagerer med oksygenet i den varme og nå ustabile aluminiumforbindelsen og derved frigir aluminiumatomer, og hydroksylradikalen reagerer tilbake til vann og, dersom karbon anvendes, reagerer overskuddet av oksygen med karbon til COg.

Prinsippet med prosessen som betegnes turbo-krakking, er å behandle forbindelsen i et mekanisk etablert varmt fluidisert sjikt. Det mekaniske fluidiserte sjiktet er funnet å gi opphav til følgende effekter for å oppnå spaltning: 1. Overføring av varme til materialet ved friksjonsmessige og hydrodynamiske krefter. 2. Reversert fordampningshastighet i nærvær av fritt vann eller vanngenererende kjemikalier (hydrogen og oksygen) som en del av den kjemiske sammensetningen av aluminiumforbindelsen som fører til spaltning av vann til hydrogen- og hydroksylradikaler. 3. Dannelsen av mikrobobler med ekstremt trykk og ekstrem temperatur. 4. Bråkjøling av den frigitte varmen fra mikroboblene til prosessomgivelsestemperaturen. 5. Dannelse av temperaturpunkter i spaltningssonen av kornene av forbindelsen og ved bevegelsen av kornene over de mekaniske friksjonselementene.

Det mekanisk fluidiserte sjiktet som frembringes i et reaktorkammer kan etableres ved forskjellige fremgangsmåter. En praktisk fremgangsmåte er å anvende en hammer-mølle-konstruksjon enten med en sylindrisk beholder eller en konisk beholder med indre "trinn", hvorved materialet kan utsettes for forskjellige hastigheter fra hammerne, og hvor et eller flere av trinnene kan være avkjølt for å kontrollere de kjemiske reaksjonene som finner sted i reaktoren. En annen mulighet er en kulemøllekonstruksjon. Nok en annen fremgangsmåte for å etablere det fluidiserte sjiktet er å anvende magnetisk metall som sjiktmateriale satt i rask bevegelse ved hjelp av magnetiske krefter ved en elektrisk spole som omgir reaktorkammerbeholderen.

Den mekaniske bevegelsen av sjiktet i prosessen utføres på en slik måte at energi for etablering av sjiktet også gir nok energi til å oppvarme det til den ønskede prosesstemperaturen, og til å opprettholde temperaturen under prosessen. Dette oppnås ved at de mekaniske innretningene som etablerer sjiktet genererer en trykkfront mot de mekaniske innretningene og de fluidiserte faste stoffene og derved avgir energi tilsvarende en turbineffekt. I tillegg til trykk-fronten genererer skjærkrefter som opptrer mellom de mekaniske innretningene og de individuelle faste stoffene topptemperaturer. Dette betyr at i nærheten av de mekaniske innretningene er det etablert en "bevegende" trykk- og temperaturtilstand som er forskjellig fra omgivelsestempera-turen i prosesskammeret.

Etter at det fluidiserte sjiktet er etablert, innføres aluminiumforbindelsen i prosesskammeret sammen med en del vann som er vesentlig for prosessen. Vann kan tilsettes til aluminiumforbindelsen som når det anvendes AI2O3 eller være vanngenererende kjemikalier som en del av forbindelsen, som når det anvendes aluminiumhydroksyd A1(0H)3.

Ved inntreden i prosesskammeret med det turbulente fluidiserte sjiktet finner det sted en såkalt "flash"-fordampning av vannet. Dette betyr at ettersom vannet ved omgivelsestrykk underkastes en temperatur som er høyere enn det normale kokepunktet ved dette trykket, genereres overmettet damp. På grunn av den nevnte forskjellen i varme og trykk i fronten av de mekaniske innretningene, finner det sted ultralydvibrer-ende ekspansjon av dampen.

Før fordampningen blandes vannet inn i faststoffene ved skjærkreftene som finner sted ved de mekaniske innretningene. I tillegg til den mekaniske virkningen ved de mekaniske innretningene, vil de forskjellige faststoffpartiklene også utøve en mekanisk virkning på vannet.

Idet det er blandet inn i de faste stoffene utsettes vannet også for det ekstremt store overflatearealet av det fluidiserte sjiktet og derved øker varmeoverføringen mellom det fluidiserte området og fluidene selv.

På grunn av den ekstreme separasjonen av fluidene i faststoffene som finner sted før de fordampes, genererer separasjonen i tillegg til vibrasjonen mikrobobler i det fluidiserte sjiktet med ekstreme temperaturer og trykk, av størrelsesorden flere tusen grader Kelvin og atmosfærer. Den frigitte varmen og trykket i mikroboblene bidrar til spaltningen av vannmolekylene med ekstrem hastighet til hydroksyl- og hydrogenradikaler. Men fordi omgivelsestempera-turen i prosessen ligger langt under topptemperaturene, vil den ekstremt gode varmekonveksjonen bråkjøle betingelsene i de bristende mikroboblene til omgivelsestemperatur i løpet av et minimum av tid, av størrelsesorden deler av et mikro-sekund.

Ved forsøk i en 55 kW reaktor ble det funnet at man var i stand til spalte vann ved temperaturer så lave som 250° C og ved relativ bevegelse mellom friksjonselementene og de faste stoffene av størrelsesorden 40 - 200 m/s.

Uten at man ønsker å være bundet til noen spesifikk teori, kan reaksjonsmekanismen være som følger: Når oksydet trer inn i reaksjonskammeret under disse betingelsene, oppvarmes det til prosesstemperaturen som beskrevet ovenfor. Temperaturen sammen med de mekaniske skjærkreftene som utøves i reaktorkammeret, reduserer spenning i molekylstrukturen og gjør molekylene mottagelige for reaksjon med radikalene dannet av vannet og følgelig vil følgende reaksjon finne sted: Hydrogenradikalene vil reagere med oksygenatomene forbundet med oksydet og derved danne vann. De gjenværende hydroksyl-radikalene (0H~) vil reagere tilbake til vann og oksygen. For å erstatte hydrogenet tapt i reaksjonen med oksygenatomene fra oksydet, kan dette kompenseres ved å tilsette et annet hydrogengivende materiale i prosesskammeret blandet i oksydet før det fylles inn i prosesskammeret. Et slikt hydrogengivende materiale kan være olje. Alternativt kan karbon tilsettes og følgelig vil oksygenet reagere med karbon til C02.

Når aluminiumoksyd AI2O3 anvendes, kan reaksjonen forsøksvis skrives som:

Nødvendig vann er:

Eydroksylradikalene reagerer tilbake til:

Oksygenet overføres til C02 ved tilsetning av koks til oksydet før inntreden i prosesskammeret.

Mengden karbon påkrevet er lik 1,5 mol for hver 1,5 mol 02.

Følgelig gjelder:

Hvert mol av AI2O3 (molekyl vekt 102) gir 2 mol Al med molekylvekt 27 og krever:

6 mol H2O med molekylvekt 18,02.

1,5 mol C med molekylvekt 12.

Følgelig trenges for hver kg aluminium produsert:

Mol Al: 1000/27 = 37,04

Mol A1203: = 37,04/2 = 18,52

Mol H20: = 18,52-6 = 111

Mol C: = 18,52-1,5 - 25,78

Dette gir i kg:

A1203: = 18,52-102/1000 = 1,89/kg Al

H20: = 111-18,02/1000 = 2 kg

C: = 27,78-12/1000 = 0,33 kg

Når prosesstemperaturen er nådd, fylles oksyd med vann og olje eller koks automatisk i reaksjonskammeret for å opprettholde temperaturen. Temperaturen opprettholdes enkelt ved at det kalde materialet virker til å avkjøle prosessen og energitilførselen til å oppvarme den. Følgelig utbalanseres energitilførselen ved tilførselen av materialet, som sådan kontrolleres prosessen ved energitilførselen og temperaturen av prosessen som følger: Når den ønskede prosesstemperaturen er nådd, utføres tømmingen av aluminium ved hjelp av et tømmearrangement som kan være en roterende ventil, pumpe eller annen praktisk innretning. Ettersom belastningen på drivkilden så faller, fylles kaldt materiale automatisk i prosesskammeret. Temperaturen vil da falle og tømmingen stoppes inntil temperaturen igjen er nådd. Når prosessen er balansert, går tømming og tilførsel mer eller mindre kontinuerlig.

Reguleringen kan også utføres motsatt, hvilket vil være tilfelle i utførelsesformen av prosessen som er vist. Når prosesstemperaturen er nådd, tilføres kaldt materiale i reaktorkammeret for å kjøle det ned. Dersom det ikke er etablert et fiksert sjikt som i den viste utførelsesformen i figur 2, vil dette resultere i forøket belastning på den drivende kraften som deretter vil aktivere tømmearrangementet for å redusere belastningen. Ved den viste utførelsesformen kan man velge enten å ha en automatisk tømming av produktet eller en tømming aktivert ved belastningen på hoveddriv-kilden.

Gassene som er generert fra prosessen, damp og CO2 tømmes fra reaktorkammeret via en røranordning til en kondensator hvor den overmettede dampen kondenseres til vann. De ikke-kondenserbare gassene utluftes til omgivelsene.

Den overmettede dampen kan anvendes for å foroppvarme materialet for å redusere energiforbruket.

Det samlede energiforbruket er lik energien som er påkrevet for å oppvarme oksydet til prosesstemperaturen og for å fordampe vannet ved den samme temperaturen. Energien som anvendes for å spalte vannet gjenvinnes ved den ekstremt eksoterme reaksjonen som finner sted ved reaksjon tilbake til vann.

Det fremstilte aluminiumet fra tømmeanordningen kan tømmes enten som aluminiumpulver inn i en nøytral atmosfære eller tømmes som smeltet aluminium. Følgelig er prosesstemperaturen ca. 625°C.

Ved å produsere flytende aluminium vil det foreligge en blandesone i reaktoren mellom ikke-spaltet aluminiumforbindelse og flytende aluminium. Ved kontinuerlig tilførsel av materiale balanseres dette automatisk i reaksjonskammeret.

Ved stengning av enheten ved flytende aluminium, utføres dette ved å øke tilførselen av materialet inntil prosessen avkjøles under 600°C, hvorved aluminium vil gå over til aluminiumpulver.

Fra ovenstående er energikravet som er nødvendig for å drive prosessen ved 625 "C for hver kg aluminium som skal produ-seres : A<1>203 = 1,89 kg = 44,8 W#

H20 = 2,00 kg 47,4 W*

C = 0,33 kg = 7,8 W5é

Totalt 4,22 kg = 100

Q = 1,89'dfCs + 0,33'dt-Cc + 2 • dH

Cs = spesifikk varme for AI2O3 = 1 kJ/kg/°C

dt = ca. 525°C

Cc = spesifikk varme for C = ca. 1 kJ/kg/°C

dH = entalpiforskjell på vann = ca. 3200 kJ/kg/°C

Q = 1,89-525-1 + 0,33*1-525 + 2'3200 = 7565,5 kJ/kg Al

Q 2,1 kWh/kg Al

Dette viser at energibehovet er vesentlig lavere enn for elektrolytisk fremstilling av aluminium.

Når det anvendes aluminiumhydroksyd A1(0H)3, er hoved-reaksjonen:

Vi har følgelig:

Hvert mol A1(0H)3 (molekylvekt 77,99) gir 1 mol Al med molekylvekt 27. Følgelig gir 4 mol A1(0H)3 4 mol Al og krever 3 mol C med molekylvekt 12.

Følgelig har man for hvert kg aluminium:

Mol Al: 1000/27 = 37,04 mol

Mol A1203: = 37,04/1 = 37,04 mol

Mol C: = 37,04/4-3 = 27,79 mol

Dette gir i kg:

A1203: = 37,04-77,99/1000 = 2,98 kg/kg Al C: = 27,79*12/1000 - 0,33 kg

Energien kan leveres til akslingen på prosesskammeret ved hjelp av en hvilken som helst roterende kilde såsom elektrisk motor, dampturbin, dieselmotor, osv. Dersom termiske energikilder anvendes, såsom dampturbin, kan omfattende varmegjenvinning anvendes fra damp fra prosesskammeret og derved redusere det samlede energiforbruket.

Figur 1 viser et forenklet flytdiagram for prosessen med følgende hovedelementer: (a) er en forrådsbeholder med en indre blander for mottak av aluminiumforbindelse, karbon og vann. I bunnen av beholderen er det anordnet en skrue-transportør (b) drevet ved hjelp av en regulerbar motor (c) som avleverer materialet til reaktorkammeret (d). I reaktoren er det anbragt en rotor (e) med f riksjonselementer (ikke vist) drevet ved hjelp av en motor (f). På reaktorkammeret er det anordnet et ventilarrangement (g) for aluminiumtømming og et rør (h) for utslipp av damp og C02. Dampen kondenseres i en kondensator (i) hvor kondensert vann går til tømming og avkjølt C02 utluftes til omgivelsene. Den prikkede linjen (j) viser alternativ varmegjenvinning ved føring av dampen og varm CO2 inn i en varmeveksler anbragt i forrådsbeholderen. Varmeveksleren kan være et roterende rørarrangement eller hule skruetransportører anbragt ved bunnen av forrådsbeholderen. Med en lukket beholderkonstruksjon er det mulig å foroppvarme materialet til ca. 150°C, hvorved trykket i beholderen vil være ca. 5 bar som er lik det mettede damptrykket ved denne temperaturen. Røret (s) illustrerer et indre avkjølingsrør for delvis avkjøling av det fluidiserte sjiktet over en del av den samlede sjiktlengden. Varmen akkumulert i vannet fjernes ved hjelp av varmeveksleren (t).

Figur 2 viser en utførelsesform av reaktorkammeret (d) med rotoren (e) og friksjonselementet (k). Ved hver ende av kammeret er det anbragt en roterende forsegling og lagre (1). (m) viser inngangsåpningen for materialet, (n) utløpsåpningen for aluminiumet og (o) utløpsåpningen for dampen og CO2. På den koniske delen av kammeret er det anordnet sylindriske ringer (p) med en ringplate (q) med utstrekning avstanden x fra de sylindriske ringene (p). Denne avstanden anvendes for å etablere en fiksert dybde av det fluidiserte sjiktet inne i hver av de sylindriske ringene. Belastningen på motoren etableres følgelig ved antallet friksjonselementer med utstrekning inn i sjiktet og hastigheten av rotoren (e). Dersom man tillater et overløp ved (n) som vist i detalj A, vil det være en konstant belastning på hoveddrivkraften og tømming av produkt ut av åpning (n). Dersom det på den annen side ikke anvendes overløp i A, vil belastningen økes ettersom produktet bygges opp over området C og følgelig vil tømmingen aktiveres ved variasjonene av belastningen på hoveddrivkraften.

Ved å anvende forskjellige bredder på friksjonselementene (k) er det mulig å oppnå forskjellig spesifikk belastning uttrykt i W/element både innenfor de samme sylindriske ringene (p) og for hvert sett av sylindriske ringer. Ettersom hastigheten ytterst på friksjonselementene øker for hvert trinn utover ved de forskjellige ringene (p), vil den spesifikke "belastningen også øke tilsvarende.

For å kontrollere den kjemiske reaksjonen som finner sted, kan det for noen råstoff være nødvendig å redusere temperaturen av det fluidiserte sjiktet før tømming av produktet. Dette oppnås ved å sirkulere vann i ringrommet (r) via åpningene (s). Ved hjelp av denne anordningen er det mulig å øke temperaturen i det første trinnet langt over tømme-temperaturen ved avkjøling av sjiktet over det avkjølte ringområdet. Ved denne anordningen er friksjonselementene i kjøleområdet utformet for å gi så lite energi som mulig til sjiktet og fungerer bare som en transportinnretning for materialet til det neste trinnet. Ved å ha et eller flere avkjølings- og oppvarmingstrinn, er det mulig å etablere en rekke tilstander i kammeret som fremmer hver aluminiumforbindelsen for å optimalisere reaksjonene.

Figurene 3, 4, 5 og 6 viser en utførelsesform av en forsøks-enhet med følgende elementer: (d) er prosesskammeret hvor en aksling (e) med friksjonselementer drives ved hjelp av en elektrisk motor (u) via en V-båndtalje (v). Materialet bringes til en forrådsbeholder (a) hvor det blandes med vann og karbon ved hjelp av indre skruer (w). I tillegg til blandingen av materialet kan skruene (w) også virke som en varmeveksler for foroppvarming av materialet ved føring av damp gjennom skruen når denne er konstruert hul.

Fra forrådsbeholderen føres materialet inn i prosesskammeret (d) ved hjelp av en skruetransportør (b) eller en annen egnet fylleinnretning.

Ettersom materialet bearbeides flyter det i retningen fra skruetransportøren mot tømmeanordningen bestående av en roterende ventil (g). Ikke vist er mottageranordningen for det fremstilte aluminiumpulveret eller flytende aluminium. Når prosessen drives ved en temperatur over 625"C, består tømmeanordningen av et ventilarrangement utformet for flytende metall.

Den dannede overmettede dampen forlater prosesskammeret via et rør og en syklon (x) hvor faste stoffer som medføres av dampen separeres fra dampstrømmen.

Fra syklonen trer dampen inn i en kondensatoranordning bestående av en kondensator (y) i form av bunn med lederplater og en kjøler (z). Ikke-kondenserbare gasser tømmes fra kondensatoren med lederplater til en gassvasker (æ) eller et filter. Kjøleren kjøles ved hjelp av vann levert fra pumpen (ø) og kondensatoren med lederplater kjøles ved hjelp av kondensat som sirkulerer fra kondensatoren med lederplater via kjøleren (z) og pumpen (å) og til toppen av kondensatoren med lederplater igjen. Stigende vann i kondensatoren med lederplater tømmes automatisk fra kondensatoren med lederplater via ventil (aa).

Hele enheten kontrolleres fra kontrollenheten (bb).

Det skal bemerkes at ovennevnte anordning bare er en av mange mulige utforminger og alternativer for en aluminium-produserende enhet basert på prinsippet ved foreliggende oppfinnelse. Figur 7 og 8 viser slike alternative anordninger for reaktorkammeret. Figur 7 viser et reaktorkammer lignende det som er gitt i figur 2, men hvor den koniske delen er erstattet med sylindere som gir de trinnvise fluidiserte sj iktene.

Figur 8 viser et vertikalt reaktorkammer hvor produktet tømmes ved bunnen av den koniske delen ved (n). Aluminiumforbindelsen tilføres i reaktoren ved (m) og damp og CO2 går ut ved åpning (o). Bokstavene refererer til de samme delene som i de foregående figurene.

Claims (5)

1. Termo-mekanisk fremgangsmåte for fremstilling av aluminium fra aluminiumforbindelser, karakterisert ved at aluminiumoksyd eller lignende aluminiumforbindelser oppvarmes ved hjelp av friksjonen som genereres ved mekaniske krefter fra en roterende og/eller omrørende innretning inne i et prosesskammer, sammen med enten fritt vann eller vanndannende bestanddeler i aluminiumforbindelsen og et hydrogengivende materiale eller karbon på en slik måte at materialet i reaktorkammeret oppfører seg som et varmt, mekanisk etablert fluidisert sjikt, hvorved vannet kan spaltes i hydroksyl- og hydrogenradikaler hvorved hydrogenradikalene reagerer med oksygenet i den varme og nå ustabile aluminiumforbindelsen og derved frigir aluminiumatomer, og hydroksylradikalen reagerer tilbake til vann og, dersom karbon anvendes, reagerer overskuddet av oksygen med karbon til C02.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at aluminiumoksydet blandes med andre radikal-genererende væsker.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som reaktorkammer anvendes en horisontal beholder med en aksling som bærer friksjonselementer (blader) som beveger materialet i prosesskammeret og at bevegelsen mellom friksjonselementene og de faste stoffene genererer varme.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det anvendes et konisk reaktorkammer med forskjellige fluidiserte sjikt og hvor et eller flere av sjiktene avkjøles med vann eller annet kjølemiddel.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 4, karakterisert ved at det anvendes friksjonselementer av forskjellige bredder og som derved tilfører forskjellig spesifikk energi til det fluidiserte sjiktet uttrykt i W/friksjonselement eller W/m<2> på hvert friksjonselement.