METODOS Y APARATOS PARA REDUCIR LAS IMPUREZAS DE AZUFRE Y MEJORAR LASEFICIENCIAS EN CORRIENTE DE LAS CELDAS DE PRODUCCION DE ALUMINIO CON ANODO INERTE.
Métodos y aparatos para reducir las impurezas de azufre y mejorar las eficiencias en corriente de las celdas de producción de aluminio con ánodo inerte (10,
20, 30, 40, 50) a fin de aumentar significativamente la eficiencia en corriente de las celdas. Puede crearse una zona de reducción de las impurezas en el baño (13) de una celda con ánodo inerte (16a, 16b) sumergiendo un electrodo de purificación (17,37,47) en el baño (13). En otra realización, puede disponerse un tubo de barrera de oxígeno (52) en una porción del baño (13). En otra realización, se añaden reductores tales como aluminio, CO y/o CO2 al baño (13). En otra realización, se interrumpe la corriente del electrodo o se retiran electrodos de regiones seleccionadas de la celda (10, 20, 30, 40, 50) a fin de permitir que las impurezas gaseosas escapen del baño (13). Los niveles de impurezas de azufre pueden reducirse también en las celdas con ánodo inerte (62) por depuración de las emisiones del baño (66) de la celda (62) antes que las mismas se reintroduzcan en la celda (62), y por control de los contenidos de impurezas de azufre de los materiales (82) añadidos a la celda (62)
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2002/024780.
Solicitante: ALCOA INC..
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: 100 TECHNICAL DRIVE, ALCOA CENTER PENNSYLVANIA 15069.0001 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.
Inventor/es: LACAMERA,SIBA,ALFRED F, XINGHUA,LIU, RODDY,JERRY L, KOZAREK,ROBERT L, SIBA P,RAY.
Fecha de Solicitud: 5 de Agosto de 2002.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 19 de Septiembre de 2011.
Clasificación PCT:
- C25C3/06 QUIMICA; METALURGIA. › C25 PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS. › C25C PROCESOS PARA LA PRODUCCION, RECUPERACION O AFINADO ELECTROLITICO DE METALES; SUS APARATOS (protección anódica o catódica C23F 13/00; crecimiento de monocristales C30B). › C25C 3/00 Producción electrolítica, recuperación o afinado de metales por electrólisis de baños fundidos (C25C 5/00 tiene prioridad). › de aluminio.
- C25C3/08 C25C 3/00 […] › Construcción de células, p. ej. fondos, paredes, cátodos.
- C25C3/22 C25C 3/00 […] › Colectores de gases emitidos.
Clasificación antigua:
- C25C3/06 C25C 3/00 […] › de aluminio.
Fragmento de la descripción:
Métodos y aparatos para reducir las impurezas de azufre y mejorar las eficiencias en corriente de las celdas de producción de aluminio con ánodo inerte.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a la operación de las celdas de producción de aluminio electrolítico. Más particularmente, la invención se refiere a la reducción de las impurezas de azufre en las celdas de producción de aluminio con ánodo inerte a fin de aumentar las eficiencias en corriente de las celdas.
Antecedentes de la invención
El aluminio se produce convencionalmente en celdas de reducción electrolítica o cubilotes que incluyen un baño electrolítico que comprende fluoruro de aluminio fundido, fluoruro de sodio y alúmina, un cátodo, y ánodos de carbono consumibles. La eficiencia en energía y costes de la fusión del aluminio puede reducirse significativamente con el uso de ánodos inertes, no consumibles y dimensionalmente estables. El reemplazamiento de los ánodos de carbono consumibles tradicionales con ánodos inertes permite utilizar un diseño de celda de alta productividad, y puede proporcionar beneficios ambientales debido a que los ánodos inertes no producen esencialmente cantidad alguna de CO2 o CF4. Algunos ejemplos de composiciones de ánodos inertes que comprenden materiales cerámicos basados en ferrita de níquel y/o aleaciones metálicas se proporcionan en las Patentes U.S. Núms. 5.794.112, 5.865.980, 6.126.799, 6.217.739, 6.332.969, 6.372.119, 6.416.649, 6.423.195 y 6.423.204.
Durante las operaciones de fusión del aluminio, las impurezas perjudiciales tales como azufre, hierro, níquel, vanadio, titanio y fósforo pueden acumularse en el baño electrolítico. Por ejemplo, en las celdas con ánodo inerte, las especies químicas de azufre pueden acumularse hasta concentraciones mayores en el baño debido a que aquél no se elimina ya como COS u otra especie química que contenga azufre como en las celdas con ánodos de carbono consumibles. La presencia de azufre u otras impurezas de elementos de valencia múltiple en el baño causa reacciones rédox indeseables que consumen corriente eléctrica sin producir aluminio. Dichas impurezas pueden reducir significativamente la eficiencia en corriente de las celdas. Las especies químicas de azufre tienen una solubilidad alta en el baño y actúan como agentes oxidantes que hacen reaccionar Al para formar Al2O3. Esto puede causar una reacción inversa indeseable del aluminio que reduce también la eficiencia en corriente de la celda. Adicionalmente, azufre, hierro, níquel y otras impurezas contenidas en el baño pueden reducir la energía interfacial entre el baño y el bloque fundido de aluminio formado en la celda, reduciendo con ello la coalescencia o promoviendo el emulsionamiento de la superficie del bloque de aluminio.
La presente invención se ha desarrollado teniendo en cuenta lo que antecede, y para abordar otras deficiencias de la técnica anterior.
Sumario de la invención
La presente invención reconoce la acumulación de impurezas de azufre en las celdas de producción de aluminio con ánodo inerte, y reduce dichas impurezas a fin de aumentar las eficiencias en corriente de dichas celdas. Las impurezas de azufre pueden reducirse y eliminarse en regiones del baño a fin de conseguir altas eficiencias en corriente. Las emisiones gaseosas pueden depurarse antes de la depuración seca alúmina a fin de minimizar la recirculación de impurezas en el baño mientras se mantienen concentraciones de azufre aceptablemente bajas. El contenido de azufre de los materiales introducidos en el baño puede controlarse.
Una realización de la presente invención proporciona zonas de reducción de impurezas en el baño de las celdas de producción de aluminio con ánodo inerte que reducen o eliminan las impurezas indeseables. En una realización, la zona de reducción de impurezas se proporciona por un electrodo de purificación que tiene un potencial electroquímico que está controlado dentro de un intervalo de potencial seleccionado que reduce u oxida las impurezas de azufre, facilitando con ello la eliminación de las impurezas del baño. Por ejemplo, las especies químicas de azufre reducido tienen una solubilidad en el baño mucho menor que las especies químicas de impurezas de sulfato oxidadas, y las especies químicas de azufre reducido pueden escapar con relativa facilidad del baño al tiempo que se evita un ciclo rédox causado por las especies químicas de sulfato oxidadas. En otra realización, la zona de reducción de impurezas comprende un volumen del baño en el cual se reduce o se elimina el oxígeno, v.g. se impide que el oxígeno generado durante la operación de una celda con ánodo inerte entre en una región del baño. En una realización adicional, la zona de reducción de impurezas se crea a través de la totalidad o una parte del baño por adición de un reductor tal como Al, carbonatos (v.g., carbonatos de Na, Ca, Li, Al, y Mg), CO y/o CO2. En otra realización, se interrumpe el flujo de corriente eléctrica a través de algunos o la totalidad de los electrodos de una celda, o los electrodos no se posicionan en ciertas áreas de la celda, a fin de permitir que el gas que contiene azufre escape del baño. Estas realizaciones en las cuales se proporcionan zonas de reducción de las impurezas en el baño pueden utilizarse solas o en diversas combinaciones.
Otra realización de la presente invención elimina las impurezas de azufre de las emisiones gaseosas de las celdas por técnicas tales como depuración con carbono activado para eliminar el SO2 antes que el mismo sea absorbido por la alúmina que se devuelve a la celda con ánodo inerte.
Una realización adicional de la presente invención reduce las impurezas de azufre a niveles aceptables por control del contenido de azufre en los materiales añadidos al baño, tal como el contenido de azufre de la alúmina y el fluoruro de aluminio alimentados al baño. Pueden utilizarse cálculos de balance de masa a fin de seleccionar el contenido aceptable de azufre de la alúmina y otros materiales añadidos al baño.
Un aspecto de la presente invención es proporcionar un método de operación de una celda de producción de aluminio electrolítico con ánodo inerte. El método comprende proporcionar una celda que comprende un baño electrolítico, un cátodo y al menos un ánodo inerte posicionado a o por encima de un nivel del cátodo, hacer pasar corriente entre el ánodo inerte y el cátodo a través del baño electrolítico, y mantener una concentración de las impurezas de azufre en el baño electrolítico menor que aproximadamente 500 ppm. En una realización preferida, la concentración de las impurezas de azufre se mantiene por debajo de aproximadamente 100 ppm.
Otro aspecto de la presente invención es proporcionar un método de reducción de las impurezas de azufre en una celda de producción de aluminio electrolítico. El método comprende proporcionar una zona de reducción de impurezas dentro de un baño electrolítico de la celda. En una realización preferida, la celda comprende ánodos inertes.
Un aspecto adicional de la presente invención es proporcionar un método de producción de aluminio. El método incluye los pasos de proporcionar una celda que comprende un baño electrolítico, un cátodo y al menos un ánodo inerte localizado a o por encima de un nivel del cátodo, hacer pasar corriente entre el al menos un ánodo inerte y el cátodo a través del baño electrolítico, mantener una concentración de las impurezas de azufre en el baño electrolítico menor que aproximadamente 500 ppm, y recuperar aluminio de la celda.
Otro aspecto de la presente invención es proporcionar una celda de producción de aluminio electrolítico con ánodo inerte que comprende medios para reducir las impurezas de azufre contenidas en un baño electrolítico de la celda durante la operación de la celda.
Un aspecto adicional de la presente invención es proporcionar una celda de producción de aluminio electrolítico con ánodo inerte que comprende un cátodo, al menos un ánodo inerte localizado a o por encima de un nivel del cátodo, un baño electrolítico que comunica con el cátodo y el al menos un ánodo, y una zona de reducción de las impurezas de azufre dentro del baño electrolítico.
Otro aspecto de la presente invención es proporcionar una celda de producción de aluminio electrolítico con ánodo inerte que comprende un cátodo,...
Reivindicaciones:
1. Un método de operación de una celda de producción de aluminio electrolítico con ánodo inerte (10, 20, 30, 40, 50) para mantener una baja concentración de impurezas de azufre, comprendiendo el método:
proporcionar una celda (10, 20, 30, 40, 50) que comprende un baño electrolítico (13) fundido que comprende fluoruro y alúmina, un cátodo (12) y al menos un ánodo inerte (16a, 16b) localizado a, o por encima de, un nivel del cátodo (12);
hacer pasar corriente entre el al menos un ánodo inerte (16a, 16b) y el cátodo (12) a través del baño electrolítico (13) para producir aluminio; y
mantener una concentración de las impurezas de azufre en el baño electrolítico (13) inferior a aproximadamente 500 ppm, caracterizado porque la concentración de impurezas de azufre se mantiene proporcionando una zona de reducción de impurezas en el baño electrolítico, en la que la reducción de impurezas se proporciona mediante al menos uno de:
y recuperar el aluminio de la celda.
2. El método de la reivindicación 1, que comprende además reducir al menos uno de: impurezas de hierro, cobre, níquel, silicio, zinc, cobalto, vanadio, titanio y fósforo.
3. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa de recuperación comprende recuperar aluminio que tiene al menos uno de:
impurezas de hierro por debajo de aproximadamente 0,5% en peso;
impurezas de cobre por debajo de aproximadamente 0,2% en peso; e
impurezas de níquel por debajo de aproximadamente 0,2% en peso.
4. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa de recuperación comprende recuperar aluminio que tiene al menos uno de:
impurezas de hierro por debajo de aproximadamente 0,2% en peso;
impurezas de zinc por debajo de aproximadamente 0,03% en peso; e
impurezas de cobalto por debajo de aproximadamente 0,03% en peso.
5. El método de la reivindicación 1, que comprende además controlar un potencial electroquímico del electrodo purificador (17, 37, 47) dentro de un rango de potencial seleccionado.
6. El método de la reivindicación 1, que comprende además hacer funcionar el electrodo purificador (17, 37, 47) en modo anódico, de tal modo que las especies de azufre sean oxidadas.
7. El método de la reivindicación 1, que comprende además hacer funcionar el electrodo purificador (17, 37, 47) en modo catódico, de tal modo que las especies de azufre sean reducidas.
8. El método de la reivindicación 1, que comprende además mantener un potencial de electrodo del electrodo purificador (17, 37, 47) de E= 0 V con relación al potencial del aluminio.
9. El método de la reivindicación 1, en el que la zona de reducción de impurezas se proporciona añadiendo un reductor de purificación al baño electrolítico (13).
10. El método de la reivindicación 9, en el que el reductor comprende al menos uno de: aluminio, carbonato de sodio, carbonato de calcio, carbonato de litio, carbonato de aluminio, carbonato de magnesio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, y sus combinaciones.
11. El método de la reivindicación 1, en el cual el contenido de azufre de la alúmina (82) es menor que aproximadamente 250 ppm.
12. El método de la reivindicación 1, en el cual el contenido de azufre de la alúmina (82) es mayor que aproximadamente 250 ppm.
13. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa de mantenimiento se lleva a cabo en operación.
14. Una celda de producción de aluminio electrolítico con ánodo inerte (10, 20, 30, 40, 50) que comprende:
un cátodo (12);
al menos un ánodo inerte (16a, 16b) localizado a, o por encima de, un nivel del cátodo (12);
un baño electrolítico (13) que comunica con el cátodo (12) y el al menos un ánodo (16a, 16b); y
una zona de reducción de las impurezas de azufre dentro del baño electrolítico (13),
caracterizada porque la zona de reducción de impurezas de azufre se proporciona mediante al menos uno de:
y sus combinaciones.
15. La celda de la reivindicación 14, en la que el electrodo de purificación (17, 37, 47) comprende: carbono, grafito, TiB2, W, Mo, acero al carbono, acero inoxidable o sus combinaciones.
16. La celda de la reivindicación 14, en la que el electrodo de purificación (17, 37, 47) comprende una conexión eléctrica a una fuente de energía de la celda.
17. La celda de la reivindicación 14, en la que el electrodo de purificación (17, 37, 47) comprende una conexión eléctrica a una fuente de energía separada.
18. La celda de la reivindicación 14, en la que el electrodo de purificación (17, 37, 47) comprende una conexión eléctrica a un bloque de aluminio fundido (14), en el que el bloque de aluminio fundido (14) comprende una conexión eléctrica al cátodo (12).
19. La celda de la reivindicación 14, en la que el electrodo de purificación (17, 37, 47) comprende una conexión eléctrica externa al cátodo (12).
20. La celda de la reivindicación 14, en la que la barrera de oxigeno (18) comprende: TiB2, BN, ferritas, y sus combinaciones.
21. La celda de la reivindicación 14, en la que la barrera de oxigeno (18) proporciona una zona substancialmente libre de oxigeno en el baño electrolítico (13).
Patentes similares o relacionadas:
Procedimiento de producción de una aleación de aluminio y escandio, del 15 de Enero de 2020, de Obshchestvo S Ogranichennoy Otvetstvennost'yu "Obedinennaya Kompaniya Rusal Inzhenerno-Tekhnologicheskiy Tsentr": Un procedimiento de producción de una aleación de aluminio y escandio que tiene un contenido de escandio de 0,41-4 % en peso que comprende las siguientes etapas […]
Procedimiento para proporcionar energía eléctrica para un consumidor, del 9 de Octubre de 2019, de Caesar, Christoph: Procedimiento para proporcionar energía eléctrica para un consumidor , en el que a) mediante un generador de energía regenerativo […]
Fuente de energía y almacenamiento de energía transportable, del 31 de Julio de 2019, de SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT: Procedimiento para el transporte de energía y para el almacenamiento de energía, que comprende los siguientes pasos de procedimiento: […]
Procedimientos para la producción de una aleación de aluminio-zirconio-boro y para la producción simultánea de criolita, del 18 de Mayo de 2016, de Shenzhen Sunxing Light Alloys Materials Co., Ltd: Un procedimiento para la preparación de una aleación de aluminio-zirconio-boro y, de forma sincrónica, la preparación de una criolita que incluye […]
Procedimiento para la preparación de boruro de metal de transición, del 25 de Febrero de 2015, de Shenzhen Sunxing Light Alloys Materials Co., Ltd: Un procedimiento para la preparación de boruro de metal de transición, caracterizado porque: el procedimiento comprende las siguientes etapas: A) se introduce aluminio […]
Mejora de colada de aluminio mediante la aplicación de un campo electromagnético dirigido, del 13 de Junio de 2013, de ALCOA INC.: Un sistema que comprende:
(a) un recipiente , en el que el recipiente comprende:
(i) un cuerpo , en el que el cuerpo está adaptado para contener […]
Celdas electrolíticas de reducción de aluminio con ánodos a base de metal, del 1 de Junio de 2012, de Rio Tinto Alcan International Limited: Una celda electrolítica de reducción de aluminio a partir de alúmina, que consta de:
- un ánodo a base de metal que tiene una parte externa […]
DISTRIBUCION DE ELECTROLITO RICO EN ALUMINA EN CELULAS DE FABRICACION ELECTROLITICA DE ALUMINIO., del 16 de Noviembre de 2006, de MOLTECH INVENT S.A.: Método para la producción de aluminio en una cuba electrolítica, en particular para la electrólisis de alúmina disuelta en un electrólito de fluoruro fundido, […]