RU2689475C1 - Устройство для производства алюминия высокой чистоты с безуглеродными анодами электролизом и способ его осуществления - Google Patents
Устройство для производства алюминия высокой чистоты с безуглеродными анодами электролизом и способ его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2689475C1 RU2689475C1 RU2018125830A RU2018125830A RU2689475C1 RU 2689475 C1 RU2689475 C1 RU 2689475C1 RU 2018125830 A RU2018125830 A RU 2018125830A RU 2018125830 A RU2018125830 A RU 2018125830A RU 2689475 C1 RU2689475 C1 RU 2689475C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aluminum
- anode
- electrolyte
- compartment
- cathode
- Prior art date
Links
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 79
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 75
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 41
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 15
- -1 aluminum cations Chemical class 0.000 claims abstract description 13
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 11
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K aluminium trichloride Chemical compound Cl[Al](Cl)Cl VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims abstract description 8
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims abstract description 8
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- IRPGOXJVTQTAAN-UHFFFAOYSA-N 2,2,3,3,3-pentafluoropropanal Chemical compound FC(F)(F)C(F)(F)C=O IRPGOXJVTQTAAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K Aluminum fluoride Inorganic materials F[Al](F)F KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims abstract description 4
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims abstract description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 claims abstract description 4
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims abstract description 4
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 15
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 239000011195 cermet Substances 0.000 claims description 3
- 239000002198 insoluble material Substances 0.000 claims description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 3
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 14
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 5
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000008030 elimination Effects 0.000 abstract 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 238000009856 non-ferrous metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 37
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 244000309464 bull Species 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940037003 alum Drugs 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000009851 ferrous metallurgy Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002843 nonmetals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005504 petroleum refining Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013022 venting Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к устройству для производства алюминия высокой чистоты (АВЧ) электролизом расплавленных солей с применением безуглеродных анодов. Устройство содержит корпус с подиной, футерованной огнеупорными материалами, по меньшей мере, одну пористую мембрану, пропитанную электролитом, непроницаемую для расплавленного алюминиевого сплава с электроположительными примесями, но проницаемую для электролита и катионов алюминия, по меньшей мере, один безуглеродный электрод, выделяющий газ, размещенный в анодном отсеке корпуса, при этом анодный и катодный отсеки разделены биполярным жидким алюминиевым электродом на твердой матрице, выполненной из нерастворимого или малорастворимого в алюминии материала, смачиваемого алюминием. В местах стыковки биполярного электрода со стенками и подиной имеются вставки из материала, смачиваемого алюминием. Раскрыт способ производства алюминия высокой чистоты (АВЧ) электролизом в заявленном устройстве с использованием электролита, содержащего, по крайней мере, одну соль из группы, включающий фторид алюминия, хлорид алюминия и, по крайней мере, одну соль из группы, содержащей галогенид натрия, калия, лития, магния, кальция, материал, содержащий оксид алюминия, в устройство для производства АВЧ с безуглеродными анодами и непрерывное удаление из устройства катодного алюминия и анодного газа. Обеспечивается увеличение чистоты алюминия, получаемого с безуглеродными анодами и устранение необходимости в дополнительном переделе рафинирования и возможность совместного производства алюминия и полуфабриката, содержащего до 50 мас. % металлов платиновой группы и рения из деактивированных катализаторов нефтеперерабатывающей и автомобильной промышленности. 2 н. и 19 з.п.ф-лы. 3 ил.
Description
Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к способу производства алюминия высокой чистоты с безуглеродными анодами и устройству для его осуществления.
Используемые в промышленности аппараты для производства алюминия оснащены углеродными анодами с горизонтальной рабочей поверхностью (подошвой), из-за чего имеют низкую удельную производительность, негативно влияют на окружающую среду, а производство алюминия характеризуется высокой трудоемкостью. Разработанные на сегодняшний день способы получения алюминия с использованием безуглеродных вертикальных или горизонтальных анодов имеют недостатки, препятствующие их промышленному внедрению, в частности, малый выход по току и высокое содержание примесей в катодном металле.
Известен способ электролитического получения металлов при одновременном осаждении примесей (Патент РФ №2425177 С1, С25С 3/00, Опубл. 10.01.2011. Бюл. №1), согласно которому в электролите между анодом и катодом имеются катоднополяризованные коллекторы, потенциал которых находится между потенциалами восстановления металла и примесей. Недостатком способа являются высокая сложность реализации технического решения, необходимость использования дополнительных источников тока с генераторами прямоугольных импульсов.
Известен способ электролитического производства высокочистого алюминия с использованием инертных анодов (Патент РФ №2283900, С25С 3/06, Опубл. 20.09.2006. Бюл. №26), согласно которому над ячейкой, состоящей из керамического анода, электролита с глиноземом и катодом, совершается электрическая работа. Керамический анод при этом может содержать один или несколько из оксидов металлов и неметаллов: Fe, Ni, Zn, Со, Cr, Al, Ga, Ge, Hf, In, Ir, Mo, Mn, Nb, Os, Re, Rh, Ru, Se, Si, Sn, Ti, V, W, Zr, Li, Ca, Ce, Ir, F, а также один или несколько восстановленных металлов из перечисленных выше оксидов. Недостатком способа является невозможность получения катодного металла с содержанием алюминия не менее 99.0 мас. % при низкой себестоимости (ниже цены на алюминий соответствующей марки). Этот способ взят за прототип.
Известно устройство рафинирования алюминия и его сплавов от электроположительных примесей (Патент РФ №2558316 С2, С25С 3/06, опубл. 27.07.2015. Бюл. №21), имеющее пористую мембрану, пропитанную электролитом, и расположенную между аноднополяризованным алюминием (или сплавом) и катоднополяризованным АВЧ, а также способ осуществления рафинирования в устройстве. Данное устройство взято за прототип.
Недостатком прототипа является потребность в двух переделах для производства АВЧ (первичного производства алюминия и рафинирования) и, как следствие, его высокая себестоимость.
Задачей изобретения является создание способа и устройства для получения алюминия электролизом с безуглеродным анодом с низкими удельным расходом электроэнергии, трудоемкостью, материалоемкостью и себестоимостью.
Технический результат заключается в увеличении чистоты алюминия, получаемого с безуглеродными анодами и устранении необходимости в дополнительном переделе рафинирования.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для производства алюминия высокой чистоты с безуглеродными анодами, содержащее корпус с подиной, футерованной огнеупорными материалами, по меньшей мере, одну пористую мембрану, пропитанную электролитом, согласно изобретению, устройство состоит из одной или несколько идентичных электролизных секций, в каждой из которых расположен по меньшей мере один газоотводящий анод и диафрагма, не растворимая в электролите, непроницаемая для пузырей газа но проницаемая для ионов электролита, закрепленная в крышке корпуса, а анод и катод разделены биполярным жидким алюминиевым электродом на твердой матрице, причем в местах стыковки биполярного электрода со стенками и подиной имеются вставки из материала, смачиваемого алюминием. Предлагаемую конструкцию электролизера для получения жидких металлов электролизом расплавов дополняют частные отличительные признаки, направленные на решение поставленной задачи.
В качестве материала вставки используют например, вольфрам или композиции на основе диборида титана.
Твердая матрица биполярного алюминиевого электрода представляет собой, по меньшей мере, однослойную проволочную тканую сетку с размером ячейки от 0.1 до 1.1 мм и толщиной проволоки от 0.1 до 1 мм.
Твердая матрица биполярного алюминиевого электрода представляет собой пористую структуру с открытой пористостью от 10 до 90%.
Диафрагма имеет высоту, равную 30-70% расстояния между подиной и крышкой устройства.
Диафрагма выполнена в виде усеченной треугольной призмы или в виде параллелепипеда, установленного под углом от 0 до 45° к вертикали таким образом, чтобы наибольшее расстояние между газоотводящим анодом и диафрагмой достигалось в нижней части диафрагмы.
Диафрагма имеет нижнюю и верхнюю части, причем нижняя имеет ширину равную 30-70% расстояния между боковыми стенками каждой электролизной секции, а верхняя имеет ширину, равную ширине электролизной секции, а граница между верхней и нижней частями проходит на глубине 1-20 мм от уровня расплава электролита.
Газоотводящий анод состоит из металла, или сплава металлов, или, керамики или кермета, и предпочтительно имеет форму цилиндра.
Газоотводящий анод имеет центральный канал для удаления пузырей анодного газа из анодного отсека и поперечные или наклонные каналы, соединяющие центральный канал с пространством анодного отсека.
Каналы имеют достаточный диаметр для удаления пузырей анодного газа.
Газоотводящий анод имеет открытую пористость от 20 до 80%.
Аноды каждой секции подсоединены к системе принудительной эвакуации пузырей анодного газа.
Кратчайшее расстояние между газоотводящим анодом и биполярным электродом составляет 5-50 мм.
В подине имеются пазы для установки и фиксации газоотводящего анода, биполярного электрода и пористой мембраны.
В крышке корпуса имеются отверстия, для подачи реагентов в анодный отсек, в катодный отсек и для отбора пробы металла из катодного отсека.
В крышке расположен питатель для непрерывной или импульсной подачи реагентов.
В крышке имеется отсек для хранения реагентов, например, глинозема.
В катодном отсеке имеется отверстие для непрерывного самопроизвольного удаления алюминия.
Токоподвод в катодном отсеке, выполнен из смачиваемого алюминием и нерастворимого в алюминии материала,
Способ производства алюминия высокой чистоты электролизом, включающий использование электролита состоящего из по крайней мере, одной соли из группы, включающей фторид алюминия, хлорид алюминия и, по крайней мере, одной соли из группы, содержащей галогенид натрия, калия, лития, магния, кальция, материал, содержащий оксид алюминия, и пропускание через него электрического тока,, при этом непрерывно удаляют катодный алюминий и анодный газ.
В качестве материала, содержащего оксид алюминия, используют деактивированные катализаторы нефтеперерабатывающей промышленности, содержащие металлы платиновой группы, рений или другие ценные компоненты.
устройство для производства алюминия высокой чистоты (АВЧ), содержащее корпус с подиной, футерованной огнеупорными материалами, по меньшей мере, одну пористую мембрану, пропитанную электролитом, непроницаемую для расплавленного алюминиевого сплава с электроположительными примесями, но проницаемую для электролита и катионов алюминия, имеет в корпусе, по меньшей мере, один безуглеродный электрод, выделяющий газ, размещенный в анодном отсеке корпуса, а анодный и катодный отсеки разделены биполярным жидким алюминиевым электродом на твердой матрице, выполненной из нерастовримого или малорастворимого в алюминии материала, смачиваемого алюминием, причем в местах стыковки биполярного электрода со стенками и подиной имеются вставки из материала, смачиваемого алюминием.
Устройство состоит из одной или нескольких идентичных электролизных секций.
Твердая матрица биполярного алюминиевого электролизера представляет собой, по меньшей мере, однослойную проволочную тканую сетку с размером ячейки от 0.1 до 1.1 мм и толщиной проволоки от 0.1 до 1 мм. Изготовление сетки с размером ячейки менее 0.1 мм является технически сложной задачей и не требуется для решения задачи изобретения. Использование сетки с размером ячейки более 1.1 мм приводит к нарушению целостности слоя жидкого алюминия биполярного электрода, исключающего перенос электроположительных ионов и атомов в пористую мембрану и загрязнение алюминия. Использование сетки с толщиной проволоки менее 0.1 мм нежелательно из-за высокой вероятности ее разрыва в результате частичного растворения в алюминии и локальных растягивающих напряжений.
Твердая матрица биполярного алюминиевого электролизера представляет собой пористую структуру с открытой пористостью от 10 до 90%. При использовании матрицы с пористостью менее 10% биполярный электрод обладает малой емкостью (наибольшим допустимым содержанием примесей в алюминии). Создание прочной матрицы с пористостью более 90% является сложной технической задачей, решение которой не требуется в рамках настоящего изобретения.
В анодном отсеке имеется нерастворимая в электролите диафрагма, непроницаемая для пузырей газа, но проницаемая для комплексных ионов алюминия, закрепленная в крышке устройства. Диафрагма служит для защиты биполярного электрода от контакта с пузырями анодного газа и окисления алюминия электрода.
Диафрагма имеет высоту, равную 30-70% расстояния между подиной и крышкой устройства. При высоте более 70% диафрагма оказывает существенное влияние на падение напряжения, изменяя сечение ионного проводника. При высоте менее 30% существенная доля пузырей анодного газа переносится к поверхности алюминия биполярного электрода, провоцируя его окисление. Высота диафрагмы подбирается исходя из расстояния между газоотводящим анодом и биполярным электродом (чем меньше расстояние, тем больше высота).
Диафрагма имеет нижнюю и верхнюю части, причем нижняя имеет ширину равную 30-70% расстояния между боковыми стенками электролизной секции, верхняя имеет ширину, равную ширине электролизной секции, а граница между верхней и нижней частями проходит на глубине 1-20 мм от уровня расплава электролита. При использовании диафрагмы с шириной нижней части менее 30% ширины электролизной секции, она не обеспечивает защиты алюминия биполярного электрода от контакта с пузырями. При использовании диафрагмы с шириной нижней части более 70% ширины электролизной секции она существенно увеличивает падение напряжения в электролите. Ширина верхней части диафрагмы равняется ширине электрод изной секции для того, чтобы полностью ограничить доступ пузырей, которые могут скапливаться в верхней части электролита анодного отсека, к биполярному электроду. Граница между верхней (широкой) и нижней (узкой) частями проходит в электролите на глубине, которая выбирается исходя из стационарной толщины слоя пузырей, скапливающихся у границы электролит - атмосфера.
Диафрагма выполнена в виде усеченной треугольной призмы или в виде параллелепипеда, установленного под углом от 0 до 45° к вертикали таким образом, чтобы наибольшее расстояние между газоотводящим анодом и диафрагмой достигалось в нижней части диафрагмы. Такие форма и наклон диафрагмы по отношению к аноду обеспечивает эффективное ограничение взаимодействия пузырей анодного газа с алюминием биполярного электрода.
Газоотводящий анод состоит из металла, сплава металлов, керамики или кермета, предпочтительно имеет форму цилиндра. Состав анода выбирается таким образом, чтобы обеспечить оптимальное соотношение свойств (коррозионной устойчивости, удельного электропроводности, механической прочности) и стоимости. Цилиндрическая форма предпочтительна из-за простоты изготовления, высокой равномерности распределения тока на поверхности.
Газоотводящий анод имеет центральный канал для удаления пузырей анодного газа из анодного отсека и поперечные или наклонные каналы, соединяющие центральный канал с пространством анодного отсека. Наличие канала позволяет снизить объем газа в анодном отсеке, снизив падение напряжения в электролите и ограничив доступ пузырей к алюминию биполярного электрода при малых расстояниях между газоотводящим анодом и биполярным электродом.
Каналы имеют диаметр от 0.1 до 3 мм для удаления пузырей анодного газа. Диаметр каналов выбирается исходя из состава электролита и плотности тока.
Газоотводящий анод может иметь открытую пористость от 20 до 80% для удаления газа через поры. При пористости менее 20% в межэлектродном пространстве накапливается газ, увеличивая падение напряжения в электролите. При пористости 80% анод не обладает достаточной механической прочностью.
Газоотводящие аноды каждой электролизной секции подсоединены к системе принудительной эвакуации пузырей анодного газа. Наличие такой системы позволяет снизить падение напряжения в электролите и исключить перенос пузырей от анода к биполярному электроду.
Кратчайшее расстояние между газоотводящим анодом и биполярным электродом составляет 10-50 мм. При расстоянии менее 10 мм проявляется взаимодействие пузырей анодного газа с биполярным электродом, являющееся причиной окисления алюминия и снижения выхода по току. При расстоянии более 50 мм устройство работает с высокими падением напряжения в электролите и удельным расходом электроэнергии на производство готовых продуктов.
В подине имеются пазы для установки и фиксации газоотводящего анода, биполярного электрода и пористой мембраны. Наличие пазов ограничивает перенос электроположительных примесей из анодного отсека в катодный и подвижность газоотводящего анода, биполярного электрода и мембраны относительно корпуса устройства.
В крышке имеются отверстия, для подачи реагентов в анодный отсек, в катодный отсек и для отбора пробы металла из катодного отсека.
Подача реагентов осуществляется непрерывно или импульсно при помощи питателя, расположенного над крышкой или в крышке.
В крышке или над крышкой имеется отсек для хранения реагентов, например, глинозема. Наличие отсека позволяет осуществлять подогрев реагентов до их поступления в электролизер.
В катодном отсеке имеется отверстие для непрерывного самопроизвольного удаления алюминия.
В катодном отсеке имеется перегородка, выполненная из смачиваемого алюминием и нерастворимого в алюминии материала, служащая токоподводом. Наличие перегородки позволяет осуществлять организованное непрерывное удаление АВЧ из катодного отсека через отверстие катодного отсека, отделяя его от электролита катодного отсека.
Способ производства АВЧ электролизом заключается в помещении электролита, содержащего, по крайней мере, одну соль из группы, включающей фторид алюминия, хлорид алюминия и, по крайней мере, одну соль из группы, содержащей галогенид натрия, калия, лития, магния, кальция, материал, содержащий оксид алюминия, в описанное устройство для получения АВЧ и пропускании электрического тока, при непрерывном удалении АВЧ из катодного отсека и анодного газа из анодного отсека.
В качестве материала, содержащего оксид алюминия, могут использоваться деактивированные катализаторы нефтеперерабатывающей промышленности, содержащие металлы платиновой группы, рений или другие ценные компоненты. При электролизе они накапливаются в анодном отсеке и в биполярном электроде. После достижения предельно допустимого содержания примесей в алюминии биполярного электрода, последний подлежит замене с последующим извлечением из него ценных компонентов.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показан поперечный разрез одной электролизной секции устройства для получения АВЧ (боковой вид);
на фиг. 2 - вид сверху на горизонтальный разрез четырехсекционного устройства для получения АВЧ;
на фиг. 3 - показан поперечный разрез одной электролизной секции устройства для получения АВЧ в работе (боковой вид)
На фиг. 1 изображена одна секция устройства, состоящего из корпуса 1, крышки 2, катодного токоподвода 3, подины 4. В корпусе имеется отсек с отверстием 5 для удаления алюминия, пористая полупроницаемая мембрана 6, биполярный алюминиевый электрод 7, смачиваемые алюминием вставки 8, диафрагма 9, безуглеродный газоотводящий анод 10, устройство 11 для непрерывной или импульсной подачи реагентов в анодный отсек, устройство 12 для принудительного удаления газа через тело анода, отверстие 13 для подачи реагентов в катодный отсек и отверстие 14 для отбора проб алюминия.
На фиг. 2 показан вид сверху на горизонтальный разрез устройства в исполнении с четырьмя секциями.
Фиг. 3 иллюстрирует устройство в работе, содержащее электролит катодного отсека 15, АВЧ 16, электролит анодного отсека 17 и отсек 18. для хранения реагентов (например, глинозем)
Работа устройства
Производство алюминия по предлагаемому способу осуществляется в несколько стадий. На первой стадии в паз между катодным и анодным отсеками помещается пористая мембрана и матрица биполярного электрода, в анодный отсек помещается электролит анодного отсека 17, содержащий растворенный глинозем, и углеродсодержащий электрод, в катодный отсек помещается электролит катодного отсека 15, не содержащий растворенного глинозема, и второй углеродсодержащий электрод. Электроды и матрица подключаются к источнику постоянного тока, углеродсодержащие электроды поляризуются анодно, матрица - катодно. На этой стадии формируется алюминиевый биполярный электрод путем восстановления металлов, а катодный и анодный отсеки очищаются от электроположительных по отношению к алюминию примесей. Поляризация осуществляется при плотности тока, рассчитанной таким образом, чтобы анодная плотность тока была, по меньшей мере, в два раза ниже предельной для разряда иона кислорода, а катодная плотность тока - по меньшей мере, на 5% ниже предельной для разряда электроположительных примесей. Время поляризации рассчитывается исходя из объема биполярного электрода по алюминию. Температура при этом может составлять от 670 до 900°С в зависимости от применяемого электролита.
На второй стадии из анодного отсека извлекается углеродсодержащий электрод, устанавливается безуглеродный электрод 10, подключается к устройству 12 для удаления газа, из катодного отсека удаляется избыточное количество электролита, помещается жидкий алюминий 16 (при этом углеродсодержащий электрод может выполнять роль токоподвода, либо быть заменен на другой токоподвод). Безуглеродный анод и катодный токоподвод подключаются к источнику постоянного тока. Присутствующие в электролите ионы кислорода окисляются на аноде до атомарного состояния, атомы соединяются в молекулы кислорода, которые пересыщают прианодный слой и выделяются в виде пузырей, пузыри проникают внутрь тела анода и удаляются под действием сил, обусловленных градиентом давления, созданным устройством 12. При электролизе продукты коррозии анода могут переходить в расплав и восстанавливаться на поверхности биполярного алюминиевого электрода совместно с алюминием или оставаться нерастворенными. В катодном отсеке устройства на границе между биполярным алюминиевым электродом 7 и пористой мембраной 6, наполненной электролитом катодного отсека 15, происходит окисление алюминия с образованием комплексных ионов, перенос ионов через мембрану и восстановление алюминия на границе АВЧ 16 и мембраны 6. При этом алюминий будет самопроизвольно удаляться через отверстие 5. В процессе работы осуществляется питание электролита прианодного отсека реагентами, например, глиноземом с помощью устройства 11, питание электролита прикатодного отсека через отверстие 13 реагентами, например солями для корректировки состава электролита, периодически осуществляется отбор проб алюминия через отверстие 14 в крышке 2 для определения его чистоты. На этой стадии происходит постепенное накопление примесей в биполярном алюминиевом электроде; скорость накопления зависит от скорости коррозии анода, количества примесей в исходном сырье, скорости поступления примесей к поверхности биполярного электрода.
На третьей стадии, когда чистота получаемого алюминия начинает снижаться, что свидетельствует о необходимости замены биполярного алюминиевого электрода, осуществляется соответствующая операция (возможно, с последующим извлечением ценных компонентов из полученного сплава), удаление алюминия из катодного отсека и повторение первой и второй стадий.
Нагрев устройства и поддержание температуры осуществляется за счет Джоулева тепла или внешнего нагревателя и контролируется силой тока.
Claims (21)
1. Устройство для производства алюминия высокой чистоты (АВЧ), содержащее корпус с подиной, футерованной огнеупорными материалами, катод, безуглеродные аноды, по меньшей мере одну пористую мембрану, пропитанную электролитом, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере одним газоотводящим анодом и диафрагмой, нерастворимой в электролите, непроницаемой для пузырей газа и проницаемой для ионов электролита, закрепленной в крышке корпуса, с образованием по меньшей мере одной электролизной секции, при этом анод и катод разделены биполярным жидким алюминиевым электродом на твердой матрице, причем в местах стыковки биполярного электрода со стенками и подиной имеются вставки из материала, смачиваемого алюминием.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вставка выполнена из вольфрама или из композиции на основе диборида титана.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что твердая матрица биполярного алюминиевого электрода выполнена в виде по меньшей мере однослойной проволочной тканой сетки с размером ячейки от 0.1 до 1.1 мм и толщиной проволоки от 0.1 до 1 мм.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что твердая матрица биполярного алюминиевого электрода выполнена в виде пористой структуры с открытой пористостью от 10 до 90%.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что высота диафрагмы составляет 30-70% расстояния между подиной и крышкой устройства.
6. Устройство по п. 1 или 5, отличающееся тем, что диафрагма выполнена в виде усеченной треугольной призмы или в виде параллелепипеда, установленного под углом до 45° к вертикали таким образом, чтобы наибольшее расстояние между газоотводящим анодом и диафрагмой достигалось в нижней части диафрагмы.
7. Устройство по п. 1 или 6, отличающееся тем, что диафрагма имеет нижнюю и верхнюю части, причем нижняя имеет ширину, равную 30-70% расстояния между боковыми стенками упомянутой по меньшей мере одной электролизной секции, а верхняя имеет ширину, равную ширине упомянутой электролизной секции, при этом граница между верхней и нижней частями проходит на глубине 1-20 мм от уровня расплава электролита.
8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газоотводящий анод состоит из металла, или сплава металлов, или керамики, или кермета и предпочтительно имеет форму цилиндра.
9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газоотводящий анод имеет центральный канал для удаления пузырей анодного газа из анодного отсека и поперечные или наклонные каналы, соединяющие центральный канал с пространством анодного отсека.
10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что каналы имеют достаточный диаметр для удаления пузырей анодного газа.
11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газоотводящий анод имеет открытую пористость от 20 до 80%.
12. Устройство по. 1, отличающееся тем, что аноды каждой секции подсоединены к системе принудительной эвакуации пузырей анодного газа.
13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кратчайшее расстояние между газоотводящим анодом и биполярным электродом составляет 5-50 мм.
14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в подине имеются пазы для установки и фиксации газоотводящего анода, биполярного электрода и пористой мембраны.
15. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в крышке корпуса имеются отверстия для подачи реагентов в анодный отсек, в катодный отсек и для отбора пробы металла из катодного отсека.
16. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в крышке расположен питатель для непрерывной или импульсной подачи реагентов.
17. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в крышке имеется отсек для хранения реагентов, например глинозема.
18. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в катодном отсеке имеется отверстие для непрерывного самопроизвольного удаления алюминия.
19. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что токоподвод в катодном отсеке выполнен из смачиваемого алюминием и нерастворимого в алюминии материала.
20. Способ производства алюминия высокой чистоты (АВЧ), включающий проведение электролиза в расплаве электролита, состоящего из по крайней мере одной соли из группы, включающей фторид алюминия, хлорид алюминия, и по крайней мере одной соли из группы, содержащей галогенид натрия, калия, лития, магния, кальция и материал, содержащий оксид алюминия, в устройстве для получения АВЧ при пропускании через него электрического тока, отличающийся тем, что используют устройство по одному из пп. 1-19, при этом непрерывно удаляют катодный алюминий и анодный газ.
21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что в качестве материала, содержащего оксид алюминия, используют деактивированные катализаторы нефтеперерабатывающей промышленности, содержащие металлы платиновой группы, рений или другие ценные компоненты.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018125830A RU2689475C1 (ru) | 2018-07-12 | 2018-07-12 | Устройство для производства алюминия высокой чистоты с безуглеродными анодами электролизом и способ его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018125830A RU2689475C1 (ru) | 2018-07-12 | 2018-07-12 | Устройство для производства алюминия высокой чистоты с безуглеродными анодами электролизом и способ его осуществления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2689475C1 true RU2689475C1 (ru) | 2019-05-28 |
Family
ID=67037224
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018125830A RU2689475C1 (ru) | 2018-07-12 | 2018-07-12 | Устройство для производства алюминия высокой чистоты с безуглеродными анодами электролизом и способ его осуществления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2689475C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113249582A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-13 | 中南大学 | 一种铝冶金固废的处理方法 |
CN113249578A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-13 | 中南大学 | 铝电解产生的含氟废料的资源化处理方法及氟化铝产品 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4115215A (en) * | 1976-09-22 | 1978-09-19 | Aluminum Company Of America | Aluminum purification |
US4338177A (en) * | 1978-09-22 | 1982-07-06 | Metallurgical, Inc. | Electrolytic cell for the production of aluminum |
US6811676B2 (en) * | 2002-07-16 | 2004-11-02 | Northwest Aluminum Technologies | Electrolytic cell for production of aluminum from alumina |
US7846309B2 (en) * | 2003-08-14 | 2010-12-07 | Rio Tinto Alcan International Limited | Metal electrowinning cell with electrolyte purifier |
RU2558316C2 (ru) * | 2013-03-20 | 2015-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Легкие металлы" | Способ и устройство рафинирования алюминия |
-
2018
- 2018-07-12 RU RU2018125830A patent/RU2689475C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4115215A (en) * | 1976-09-22 | 1978-09-19 | Aluminum Company Of America | Aluminum purification |
US4338177A (en) * | 1978-09-22 | 1982-07-06 | Metallurgical, Inc. | Electrolytic cell for the production of aluminum |
US6811676B2 (en) * | 2002-07-16 | 2004-11-02 | Northwest Aluminum Technologies | Electrolytic cell for production of aluminum from alumina |
US7846309B2 (en) * | 2003-08-14 | 2010-12-07 | Rio Tinto Alcan International Limited | Metal electrowinning cell with electrolyte purifier |
RU2558316C2 (ru) * | 2013-03-20 | 2015-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Легкие металлы" | Способ и устройство рафинирования алюминия |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113249582A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-13 | 中南大学 | 一种铝冶金固废的处理方法 |
CN113249578A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-13 | 中南大学 | 铝电解产生的含氟废料的资源化处理方法及氟化铝产品 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11001931B2 (en) | Systems and methods for purifying aluminum | |
US3578580A (en) | Electrolytic cell apparatus | |
US6558525B1 (en) | Anode for use in aluminum producing electrolytic cell | |
CA2524848C (en) | Cu-ni-fe anode for use in aluminum producing electrolytic cell | |
US20070278107A1 (en) | Anode for use in aluminum producing electrolytic cell | |
BRPI1010573B1 (pt) | Aparelho e método para redução de uma matéria-prima sólida | |
US6811676B2 (en) | Electrolytic cell for production of aluminum from alumina | |
RU2689475C1 (ru) | Устройство для производства алюминия высокой чистоты с безуглеродными анодами электролизом и способ его осуществления | |
GB1155927A (en) | Electrolytic manufacture of alkali metals. | |
US6436272B1 (en) | Low temperature aluminum reduction cell using hollow cathode | |
RU2558316C2 (ru) | Способ и устройство рафинирования алюминия | |
US20030173227A1 (en) | Electrolytic cell for producing aluminum employing planar anodes | |
RU2702672C1 (ru) | Способ производства алюминия высокой чистоты электролизом расплавленных солей | |
US3082159A (en) | Production of titanium | |
US1449462A (en) | Method and apparatus for the electrolytic recovery of copper | |
US4118291A (en) | Method of electrowinning titanium | |
US4165262A (en) | Method of electrowinning titanium | |
RU2361967C1 (ru) | Способ электроизвлечения компактного никеля | |
RU2716726C1 (ru) | Способ нанесения защитного покрытия на катоды электролизера для получения алюминия | |
US4107006A (en) | Electrolysis cell | |
CN110565119A (zh) | 一种纯化铝合金的方法 | |
NL8002381A (nl) | Electrolytische cel. | |
RU2809349C1 (ru) | Устройство электрохимического рафинирования алюминия в электролизерах (варианты) | |
US1267141A (en) | Totally-submerged electrode. | |
RU2418083C2 (ru) | Электролизер для рафинирования свинца в расплаве солей |