ES2301827T3 - Procedimiento y sistema de refrigeracion de una cuba de electrolisis para la produccion de aluminio. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de refrigeración de una célula de electrólisis (1) destinada a la producción de aluminio por electrólisis ígnea, comprendiendo la correspondiente célula (1) una cuba (20) que comprende una caja metálica (2) con paredes laterales (21, 22) y por lo menos una pared de fondo (23), destinándose la correspondiente cuba (20) a contener un baño de electrolito (13) y una capa de metal líquido (12), el correspondiente procedimiento se caracteriza porque comprende: - la producción de gotitas de un refrigerante, - la puesta en contacto de todo o parte de las correspondientes gotitas con la caja (2), provocando así la vaporización de todo o parte de éstas.
Description
Procedimiento y sistema de refrigeración de una
cuba de electrólisis para la producción de aluminio.
La invención se refiere a la producción de
aluminio por electrólisis ígnea, en particular por medio del
procedimiento de electrólisis Hall-Heroult, y a las
instalaciones destinadas a la realización industrial de dicha
producción. Más específicamente la invención se refiere al control
de los flujos térmicos de las células de electrólisis y a los
medios de refrigeración que permiten obtener este control.
El aluminio metálico se produce de forma
industrial por electrólisis ígnea, a saber por electrólisis de la
alúmina en solución en un baño a base de criolita fundida, llamado
baño de electrolito, en particular según el bien conocido
procedimiento de Hall-Heroult. El baño de
electrolito está contenido en cubas llamadas "cubas de
electrólisis" que comprenden una caja de acero, interiormente
revestida con materiales refractarios y/o aislantes, y un conjunto
catódico situado en el fondo de la cuba. Ánodos están parcialmente
sumergidos en el baño de electrolito. La expresión "célula de
electrólisis" suele representar el conjunto integrado por una
cuba de electrólisis y uno o varios ánodos.
La corriente de electrólisis, que circula en el
baño de electrolito y la capa de aluminio líquidos gracias a los
ánodos y los elementos catódicos, y que puede alcanzar intensidades
superiores a los 500 kA, opera las reacciones de reducción de la
alúmina y permite también mantener el baño de electrolito a una
temperatura del orden de los 950°C por efecto Joule. La célula de
electrólisis se abastece de alúmina con regularidad para compensar
el consumo de alúmina resultante de las reacciones de
electrólisis.
La célula de electrólisis suele controlarse de
modo que quede en equilibrio térmico, es decir que globalmente se
compensan las pérdidas de temperatura de la célula de electrólisis
con el calor producido en la célula, que por lo esencial procede de
la corriente de electrólisis. El punto de equilibrio térmico suele
elegirse como para alcanzar las condiciones de funcionamiento más
favorables de un punto de vista no sólo técnico sino también
económico. En particular la posibilidad de mantener una temperatura
de consigna óptima constituye un ahorro apreciable respecto al
coste de producción del aluminio, gracias al mantenimiento del
rendimiento de corriente (o Ley de Faraday) a un valor muy alto,
que alcanza valores superiores a un 95% en las fábricas más
importantes.
Las condiciones de equilibrio térmico dependen
de los parámetros físicos de la célula (como las medidas y la
naturaleza de los materiales constituyentes o la resistencia
eléctrica de la célula) y de las condiciones de funcionamiento de
la célula (como la temperatura del baño o la intensidad de la
corriente de electrólisis). La célula suele constituirse y
controlarse como para provocar la formación de un talud de baño
solidificado en las paredes laterales de la cuba, lo que
per-
mite en particular inhibir la corrosión de los revestimientos de las correspondientes paredes debida a la criolita líquida.
mite en particular inhibir la corrosión de los revestimientos de las correspondientes paredes debida a la criolita líquida.
Para poder alcanzar muy altas intensidades de
corriente de electrólisis en volúmenes restringidos de cuba de
electrólisis, se sabe equipar las células de electrólisis con
medios específicos para evacuar y disipar, eventualmente de modo
controlado, el calor producido por las células de electrólisis.
En particular, para favorecer más
específicamente la formación de un talud de baño solidificado,
gracias a la patente americana US 4 087 345 se sabe utilizar una
caja provista de refuerzos y de un marco de refuerzo, constituidos
como para favorecer la refrigeración de las partes laterales de la
cuba por convección natural de aire ambiente. Estos dispositivos
estáticos no se prestan fácilmente a un control preciso de los
flujos térmicos.
Además, con la solicitud de patente EP 0 047
227, se propone reforzar el aislamiento térmico de la cuba y
proveerla de tubos de calor equipados con cambiadores térmicos. Los
tubos de calor atraviesan la caja y el aislante térmico y se
incorporan a las partes carbonosas tales como las losas de reborde.
La realización de esta solución es bastante compleja y costosa,
además que conlleva modificaciones de la cuba bastante
importantes.
La solicitud de patente francesa FR 2 777 574
(que corresponde a la patente americana US 6 251 237) en nombre de
Aliminium Pechiney describe un dispositivo de refrigeración de las
células de electrólisis por soplado de aire con chorros localizados
y distribuidos alrededor de la caja. Sin embargo la muy alta
eficacia de este dispositivo queda limitada por la capacidad
térmica intrínseca del fluido de refrigeración.
A raíz de la ausencia de soluciones conocidas
suficientemente satisfactorias, la solicitante pretende encontrar
medios eficaces y adaptables para evacuar y disipar el calor
producido por la célula de electrólisis que puedan instalarse
fácilmente y que no precisen importantes modificaciones de la
célula, y en particular de la caja, ni una importante
infraestructura, ni costes de funcionamiento adicionales
redhibitorios. Con vistas a una utilización tanto en las fábricas
existentes como en las nuevas fábricas, la solicitante buscó más
particularmente medios que permitiesen modificar la potencia de las
células, que se adaptasen fácilmente a diferentes tipos de células
o a diferentes modos de funcionamiento de un mismo tipo de célula,
y que se prestasen a instalaciones industriales contando con un
gran número de células en serie.
La invención tiene por objeto un procedimiento
de refrigeración de una célula de electrólisis ígnea para la
producción de aluminio en el que un refrigerante absorbe calor de
la correspondiente célula por cambio de fase de todo o parte del
correspondiente refrigerante en contacto con la cuba de la
célula.
Más precisamente en el procedimiento según la
invención se produce un "refrigerante dividido", tal como
gotitas de un refrigerante, y se pone todo o parte de las
correspondientes gotitas en contacto con la caja de la cuba,
provocando así la vaporización de todo o parte de éstas.
El vapor de refrigerante formado por la
vaporización de todo o parte de las correspondientes gotitas en
contacto con la caja se puede evacuar por ventilación natural (tal
como la convección), soplado o aspiración.
La vaporización toma calor de la célula y dicho
calor se puede evacuar después con el vapor del refrigerante. La
forma dividida del refrigerante permite preservar el calor latente
de evaporación del refrigerante hasta que entre en contacto con la
caja de la cuba. Las gotitas se calientan y se vaporizan,
parcialmente por lo menos, al entrar en contacto con la caja y el
vapor así producido se lleva una cantidad de energía térmica, de la
que una parte importante corresponde al calor latente de
evaporación del refrigerante.
Así con razón es que la solicitante se benefició
de la alta capacidad de absorción de calor debida a la vaporización
de las gotitas para aumentar considerablemente el poder de
refrigeración del refrigerante. En particular, la formación de un
refrigerante en forma dividida en un gas permite obtener una
conductibilidad térmica, un calor másico y un calor latente más
elevado que el gas solo. A la solicitante también se le ocurrió que
la división o el fraccionamiento del refrigerante en gotitas
distintas además permite producir un refrigerante sensiblemente
homogéneo pero discontinuo que rompe en particular la continuidad
eléctrica del refrigerante, a la vez que preserva la elevada
capacidad térmica del refrigerante.
En un modo de realización preferente de la
invención la célula de electrólisis se provee de por lo menos un
medio de contención que forma un espacio confinado junto a una
determinada superficie de por lo menos una de las paredes de la
caja de la cuba y se producen gotitas de un refrigerante en el
correspondiente espacio. Eventualmente el medio de contención puede
estar en contacto con la caja. Eventualmente puede pegarse o
fijarse a la caja o también solidarizarse con ésta.
La invención también tiene por objeto un sistema
de refrigeración de una célula de electrólisis ígnea para la
producción de aluminio que se caracteriza por lo que comprende por
lo menos un medio para producir gotitas de un refrigerante,
ventajosamente junto a la caja de la cuba, y un medio con el fin de
poner las correspondientes gotitas en contacto con la caja,
provocando así la vaporización de todo o parte de éstas.
El sistema de refrigeración según la invención
también puede comprender medios para evacuar el refrigerante
vaporizado.
En un modo de realización preferente de la
invención el sistema de refrigeración además comprende por lo menos
una caja de contención, por lo menos un medio de abastecimiento de
refrigerante y por lo menos un medio para producir gotitas del
correspondiente refrigerante en la correspondiente caja.
Las cajas de contención, típicamente situadas a
una determinada distancia de la superficie de la caja de la cuba,
favorecen el contacto de las gotitas con una determinada superficie
de la caja. Preferentemente se sitúan junto a las paredes laterales
de la caja. Eventualmente pueden pegarse o fijarse a las paredes de
la caja o solidarizarse con ésta.
El correspondiente sistema de refrigeración es
apto para la realización del procedimiento de refrigeración según
la invención.
La invención también tiene por objeto un
procedimiento de regulación de una célula de electrólisis destinada
a la producción de aluminio por electrólisis ígnea que incluye un
procedimiento de refrigeración de la célula según la invención.
La invención también tiene por objeto una célula
de electrólisis destinada a la producción de aluminio por
electrólisis ígnea que comprende un sistema de refrigeración según
la invención.
La invención también tiene por objeto la
utilización del procedimiento de refrigeración según la invención
para la refrigeración de una célula de electrólisis destinada a la
producción de aluminio por electrólisis ígnea.
La invención también tiene por objeto la
utilización del sistema de refrigeración según la invención para la
refrigeración de una célula de electrólisis destinada a la
producción de aluminio por electrólisis ígnea.
La invención se aplica particularmente a la
producción de aluminio por medio del procedimiento
Hall-Heroult.
\newpage
La invención permite reducir el grosor de los
revestimientos refractarios interiores (o "crisol") de las
cubas de células de electrólisis, en particular las paredes
laterales, y aumentar otro tanto el volumen interno del crisol apto
para contener el baño de electrólisis.
La figura 1 representa en sección transversal
una típica célula de electrólisis para la producción de aluminio
que utiliza ánodos precocidos de material carbonoso.
La figura 2 ilustra de forma esquematizada y en
sección transversal una célula de electrólisis que comprende un
sistema de refrigeración según un modo de realización preferente de
la invención.
La figura 3 ilustra de forma esquematizada y en
sección transversal una parte del sistema de refrigeración según un
modo de realización preferente de la invención.
La figura 4 ilustra de forma esquematizada y en
vista lateral una cuba de célula de electrólisis provista de un
sistema de refrigeración según un modo de realización preferente de
la invención.
La figura 5 ilustra de forma esquematizada y
según la sección AA de la figura 3 una célula de electrólisis
provista de un sistema de refrigeración según un modo de
realización preferente de la invención.
Como se ilustra en la figura 1, una célula de
electrólisis 1 para la producción de aluminio por electrólisis
ígnea comprende típicamente una cuba 20, ánodos 7 y medios de
abastecimiento de alúmina 11. Los ánodos se acoplan a un cuadro
anódico 10 gracias a medios de soporte y de fijación 8, 9. La cuba
20 comprende una caja metálica 2, típicamente de acero, elementos
de revestimiento interior 3, 4 y elementos catódicos 5. Los
elementos de revestimiento interior 3, 4 suelen ser bloques de
materiales refractarios que pueden ser en todo o parte aislantes
térmicos. Los elementos catódicos 5 integran barras de unión (o
barras catódicas) 6, típicamente de acero, a las que se fijan los
conductores eléctricos que sirven para el transporte de la
corriente de electrólisis.
Los elementos de revestimiento 3, 4 y los
elementos catódicos 5 forman, dentro de la cuba, un crisol
destinado a contener el baño de electrolito 13 y una capa de metal
líquido 12 cuando la célula está en funcionamiento, cuando los
ánodos 7 están parcialmente sumergidos en el baño de electrolito
13. El baño de electrolito contiene alúmina disuelta y por lo
general una capa (o costra) a base de alúmina 14 cubre el baño de
electrolito. En algunos modos de funcionamiento las paredes
laterales internas 3 pueden estar cubiertas de una capa de baño
solidificado 15. Los elementos de revestimiento 3, 4 suelen estar
constituidos por losas de reborde de material carbonoso o a base de
compuestos carbonosos, como un refractario a base de SiC, y de
pasta de polvo de carbón.
La corriente de electrólisis transita por el
baño de electrolito 13 por medio del cuadro anódico 10, de los
medios de soporte y de fijación 8, 9, de los ánodos 7, de los
elementos catódicos 5 y de las barras catódicas 6.
El aluminio metálico que se produce durante la
electrólisis suele acumularse en el fondo de la cuba donde se
establece una interfase 19 bastante clara entre el metal líquido 12
y el baño a base de criolita fundida 13. La posición de dicha
interfase baño-metal puede variar a lo largo del
tiempo: sube conforme va acumulándose el metal en el fondo de la
cuba y baja al extraer metal líquido de la cuba.
Distintas células de electrólisis suelen
situarse en línea, en edificios llamados plantas de electrólisis,
y acoplarse eléctricamente en serie con ayuda de conductores de
unión. Más precisamente las barras catódicas 6 de una cuba llamada
"antepuesta" se acoplan eléctricamente a los ánodos 7 de una
cuba llamada "pospuesta", típicamente por medio de conductores
de unión 16, 17, 18 y medios de soporte y de unión 8, 9, 10 de los
ánodos 7. Típicamente las células se sitúan como para formar dos o
varias hileras paralelas. Así la corriente de electrólisis pasa en
cascada de una célula a la siguiente.
Típicamente los ánodos 7 son de material
carbonoso, aunque también pueden estar constituidos total o
parcialmente por un material no consumible, llamado "inerte",
tal como un material metálico o un compuesto cerámica/metal (o
"cermet").
Según la invención el procedimiento de
refrigeración de una célula de electrólisis 1 destinada a la
producción de aluminio por electrólisis ígnea, comprendiendo la
correspondiente célula 1 una cuba 20 que comprende una caja
metálica 2 con paredes laterales 21, 22 y por lo menos una pared de
fondo 23, destinándose la correspondiente cuba 20 a contener un
baño de electrolito 13 y una capa de metal líquido 12, se
caracteriza porque comprende:
- -
- la producción de gotitas de un refrigerante,
- -
- la puesta en contacto de todo o parte de las correspondientes gotitas con la caja 2, provocando así la vaporización de todo o parte de éstas.
La vaporización de todo o parte de las gotitas
de refrigerante provoca un traslado de calor de la caja hacia el
refrigerante, lo que permite tomar calor de la caja y
refrigerarlo.
Preferentemente las correspondientes gotitas se
ponen en contacto con una determinada superficie 107 de la caja 2,
lo que permite seleccionar las superficies más ventajosas del punto
de vista térmico y aumentar así la eficacia de la refrigeración de
la cuba en ciertas condiciones.
El contacto con la caja 2 (o una determinada
superficie 107 de la caja) es un contacto térmico, es decir que
permite tomar energía térmica de la caja gracias a la vaporización
de todo o parte de las gotitas de refrigerante.
Las gotitas se pueden poner en contacto con la
caja, y más precisamente la superficie exterior de la caja, de
diferentes maneras, como por contención junto a la caja, por
canalización, por proyección, o una combinación de estos
medios.
Según un modo de realización preferente de la
invención el procedimiento de refrigeración de una célula de
electrólisis 1 destinada a la producción de aluminio por
electrólisis ígnea se caracteriza porque además se provee la célula
de electrólisis 1 de por lo menos un medio 101, llamado "medio de
contención", para formar un espacio confinado 102 junto a (o
eventualmente en contacto con) una determinada superficie 107 de
por lo menos una de las paredes 21, 22, 23 de la caja 2,
preferentemente por lo menos una de las paredes laterales 21, 22 de
la caja 2, y porque comprende la producción de gotitas de un
refrigerante en el correspondiente espacio 102 con el fin de poner
todo o parte de las correspondientes gotitas en contacto con la
correspondiente superficie 107.
La expresión "junto a" significa a una
distancia típicamente inferior a los 20 cm, incluso inferior a los
10 cm.
La contención de las gotitas en un determinado
volumen junto a una parte de la caja, o en contacto con esta última,
permite limitar y controlar la difusión de las correspondientes
gotitas.
Típicamente las gotitas se producen a una
determinada distancia D de una de las paredes 21, 22, 23 de la caja
2, es decir que la(s) zona(s) de producción del
refrigerante dividido se sitúa(n) a una determinada
distancia D de la correspondiente pared. Entonces se transporta el
refrigerante, típicamente en estado líquido, hasta la
correspondiente determinada distancia D. Preferentemente las
gotitas se forman junto a la caja de la cuba para evitar la
coalescencia (o la aglomeración) de éstas antes de su vaporización
al entrar en contacto con la correspondiente pared, es decir que la
determinada distancia es preferentemente pequeña (preferentemente
inferior a unos 20 cm y más preferentemente inferior a los 10 cm).
Típicamente las correspondientes zonas de producción se localizan
en una o varias cajas de contención 101.
Las gotitas se pueden producir de manera
continua o discontinua. El índice de producción de las
correspondientes gotitas puede ser variable. Ventajosamente el
procedimiento de refrigeración comprende el control del índice de
producción de las correspondientes gotitas. Así la proporción
volumétrica de gotitas de refrigerante se puede variar de manera
controlada. Esta variante de la invención permite controlar
precisamente la extracción de calor de la célula.
Típicamente las correspondientes gotitas tienen
un tamaño incluido entre 0,1 y 5 mm y preferentemente incluido
entre 1 y 5 mm. Gotitas de tamaño inferior a aproximadamente 0,1 mm
presentan el inconveniente de ser arrastradas fácilmente por los
movimientos del aire ambiente o el eventual flujo de evacuación de
las gotitas vaporizadas antes de entrar en contacto con la
caja.
En un modo de realización ventajoso de la
invención las gotitas forman una niebla, preferentemente una niebla
densa, para favorecer la vaporización de las gotitas y aumentar la
eficacia de la refrigeración.
Ventajosamente las correspondientes gotitas se
producen por pulverización del correspondiente refrigerante,
típicamente a partir de la fase líquida. Dicha pulverización se
puede efectuar gracias a la utilización de por lo menos una
boquilla.
Ventajosamente el refrigerante es agua porque
esta sustancia posee un muy alto calor latente de vaporización.
Preferentemente se purifica la correspondiente agua para reducir su
conductividad eléctrica y limitar los depósitos en la pared de la
caja que al final podrían reducir la eficacia de la refrigeración.
Ventajosamente esta purificación se efectúa previamente con ayuda
de una columna de tratamiento 113. Típicamente comprende una
operación de desionización del agua. Preferentemente el agua
purificada contiene en total una cantidad de iones (iones y
cationes) inferior a 10 \mug por litro de agua y más
preferentemente inferior a 1 \mug por litro de agua.
En un modo de realización preferente de la
invención el medio de contención 101 comprende por lo menos una
caja, es decir que el refrigerante se confina con ayuda de por lo
menos una caja 101. Dicha caja se sitúa a una determinada distancia
de la pared de la caja. Este modo de realización permite aumentar
la probabilidad de un contacto físico entre las correspondientes
gotitas y la superficie de la caja (y preferentemente una
determinada superficie 107 de la caja), e impedir su dispersión en
el espacio alrededor de la cuba 20. Típicamente la caja de
contención 101 tiene un espacio o volumen interno 102 determinado y
ventajosamente abierto, típicamente en el lado de la caja.
Eventualmente es posible controlar de forma individual el índice de
formación de las gotitas en cada caja de contención 101.
El medio de contención 101 puede pegarse o
fijarse a la caja 2 o solidarizarse con ésta.
Es ventajoso colocar la correspondiente caja 101
de modo que se superponga al nivel medio de la interfase 19 entre
el baño de electrolito 13 y la capa de metal líquido 12, es decir
de modo que se sitúe de una y otra parte del nivel medio de la
correspondiente interfase.
El procedimiento de refrigeración según la
invención también puede comprender una evacuación de todo o parte
del vapor de refrigerante formado por la vaporización de todo o
parte de las correspondientes gotitas al entrar en contacto con la
caja 2 (y en particular en contacto con la correspondiente
determinada superficie 107. Esta evacuación se puede efectuar por
ventilación natural, aspiración o soplado, o una combinación de
estos medios. Típicamente el vapor de refrigerante se evacua de
manera continua.
Preferentemente se canaliza el refrigerante
vaporizado (típicamente por aspiración o soplado) hacia un lugar
apartado de las cubas, que puede situarse en la misma planta o
fuera de ésta, o eventualmente el refrigerante puede refrigerarse
como para condensar el vapor de refrigerante y reintroducirse en el
circuito de refrigeración.
Ventajosamente, cuando el procedimiento
comprende una evacuación del vapor de refrigerante, las gotitas se
mezclan con un gas portador para facilitar la evacuación del
refrigerante vaporizado y favorecer la evaporación de los
eventuales condensados de refrigerante. El gas portador se puede
añadir a las correspondientes gotitas. Ventajosamente el gas
portador se puede utilizar para producir las gotitas de
refrigerante por pulverización. A tal efecto el gas portador se
puede transportar en forma comprimida. Típicamente el gas portador
es aire pero en el ámbito de la invención es posible utilizar otros
gases o mezclas de gases.
En un modo de realización preferente de la
invención el procedimiento comprende la circulación de un
refrigerante en un circuito abierto o cerrado que comprende:
- -
- una primera parte para el abastecimiento de refrigerante, es decir para el abastecimiento y el transporte del refrigerante, típicamente en estado líquido, hacia la o las zonas de producción de las gotitas;
- -
- una segunda parte para la formación de gotitas de refrigerante, típicamente en el correspondiente espacio confinado, y para la puesta en contacto del refrigerante dividido con la caja, provocando así su vaporización total o parcial;
- -
- una tercera parte para la evacuación del refrigerante vaporizado.
\vskip1.000000\baselineskip
En la práctica el refrigerante evacuado
comprende típicamente vapor y unas gotitas finas no vaporizadas.
Eventualmente puede contener un condensado líquido del
correspondiente refrigerante recuperado a una determinada distancia
de la caja.
Según la invención el sistema de refrigeración
100 de una célula de electrólisis 1 destinada a la producción de
aluminio por electrólisis ígnea, comprendiendo la correspondiente
célula 1 una cuba 20 que comprende una caja metálica 2 con paredes
laterales 21, 22 y por lo menos una pared de fondo 23, estando
destinada la correspondiente cuba 20 a contener un baño de
electrolito 13 y una capa de metal líquido 12, se caracteriza
porque comprende por lo menos un medio 103 para producir gotitas de
un refrigerante, típicamente junto a la caja 2 de la célula 1, y un
medio 101, con el fin de poner todo o parte de las correspondientes
gotitas en contacto con la caja 2, provocando así la vaporización
de todo o parte de éstas.
En un modo de realización preferente de la
invención el sistema de refrigeración 100 de una célula de
electrólisis 1 destinada a la producción de aluminio por
electrólisis ígnea se caracteriza porque además comprende:
- -
- por lo menos una caja de contención 101 a una determinada distancia de por lo menos una de las paredes 21, 22, 23 de la caja 2,
- -
- medios de abastecimiento 105, 111, 112, 113, 114 de refrigerante,
- -
- por lo menos un medio 103 para producir gotitas de refrigerante en la correspondiente caja, con el fin de poner todo o parte de las correspondientes gotitas en contacto con la caja 2.
\vskip1.000000\baselineskip
Típicamente las cajas de contención 101 se
sitúan junto a las paredes 21, 22, 23 de la caja 2 o eventualmente
están en contacto con la caja 2. Ventajosamente se sitúan junto a,
o en contacto con, por lo menos una de las paredes laterales 21, 22
de la correspondiente caja 2. La expresión "junto a"
significa a una determinada distancia típicamente inferior a los 20
cm, incluso inferior a los 10 cm.
Las cajas de contención 101 pueden pegarse o
fijarse a la caja 2 o solidarizarse con ésta.
Cada caja de contención 101 forma un espacio
confinado 102 que corresponde típicamente a un volumen interno
determinado. Ventajosamente la caja de contención 101 está abierta,
típicamente en el lado de la caja 2, para favorecer los
intercambios térmicos entre la caja y las gotitas. Eventualmente la
caja de contención 101 puede estar abierta en particular en su
parte superior 101a y/o en su parte inferior 101b.
Ventajosamente el correspondiente sistema
comprende una pluralidad de cajas de contención 101 distribuidas
alrededor de la caja 2 y preferentemente en las paredes laterales
21, 22 de la caja 2. Ventajosamente cada caja de contención 101 se
sitúa como para superponerse al nivel medio de la interfase 19
entre el baño de electrolito 13 y la capa de metal líquido 12. En
tal caso cada caja se sitúa típicamente de manera sensiblemente
simétrica con respecto al nivel medio de la interfase (entonces son
iguales la altura H1 por encima del nivel medio 19 y la altura H2
por debajo del nivel medio 19).
Típicamente la profundidad media P de las cajas
de contención 101 es inferior a los 20 cm. Típicamente la altura H
de las cajas en el lado de la superficie 107 está incluida entre 20
cm y 100 cm, incluso entre 20 cm y 80 cm. La anchura L de las cajas
de contención 101 puede ser inferior o igual al espacio E entre los
refuerzos 25; también pueden integrarse a, o integrar, los
correspondientes refuerzos. Típicamente la determinada superficie
107 cubierta por las cajas está incluida entre 0,2 y 1 m^{2} y
más típicamente entre 0,3 y 0,5 m^{2}.
Ventajosamente el medio 103 para producir
gotitas es un medio de pulverización. Típicamente dicho medio
comprende por lo menos una boquilla, tal como una boquilla de
niebla.
Las cajas de contención pueden comprender uno o
varios medios 103 para producir gotitas.
El desplazamiento \DeltaH entre el o los
medios de pulverización 103 y el nivel medio 19 de la interfase
baño-metal puede ser positivo, nulo o negativo, es
decir que la boquilla puede situarse por encima o por debajo del
nivel de la interfase o al mismo nivel que la correspondiente
interfase.
Típicamente los medios de abastecimiento 105,
111, 112, 113, 114 de refrigerante comprenden medios de transporte
105, 111, 112, 114, tales como conductos, y una columna de
tratamiento 113. Típicamente los medios de transporte comprenden un
conducto de distribución 111, un conducto aislante eléctrico 112 y
un conducto de abastecimiento de refrigerante 114.
Ventajosamente el sistema según la invención
además comprende por lo menos un medio 104, 110, tal como un
conducto, para abastecer cada caja de contención 101 de gas
portador eventualmente a presión. Preferentemente también comprende
un medio 108, tal como un mezclador, para producir las
correspondientes gotitas con ayuda del correspondiente gas
portador.
Ventajosamente el sistema de refrigeración según
la invención comprende por lo menos un medio 109 para controlar el
índice de producción de las gotitas de refrigerante.
Ventajosamente el sistema de refrigeración según
la invención comprende medios 106, 120, 121, 122, 123, 124 para
evacuar todo o parte del refrigerante vaporizado en contacto con la
caja 2. Los medios de evacuación permiten evacuar el vapor de
refrigerante formado por vaporización de todo o parte de las
correspondientes gotitas al entrar en contacto con la
correspondiente superficie 107.
Los medios de evacuación 106, 120, 121, 122,
123, 124, que comprenden típicamente medios de canalización, son
aptos para evacuar todo o parte del vapor de refrigerante tras
evaporación o vaporización de todo o parte de las correspondientes
gotitas en contacto con la caja 2. En particular los
correspondientes medios de evacuación comprenden típicamente
conductos de evacuación 106, 120, 121, 124 y un medio de aspiración
o de soplado 123. Típicamente los conductos de evacuación incluyen
un conducto colector 120, un conducto aislante eléctrico 121 y un
conducto de salida 124. Típicamente el medio de aspiración o de
soplado 123 es un ventilador. Estos medios también pueden
comprender un condensador 122 para condensar las gotitas de
refrigerante en suspensión. En particular dicha condensación
permite recuperar el refrigerante y reintroducirlo en el circuito
de refrigeración. Ventajosamente el condensador puede comprender
medios de refrigeración del refrigerante condensado para poder
reintroducirlo en el circuito de refrigeración a una determinada
temperatura que suele ser muy inferior a la temperatura de
vaporización. Es ventajoso prever medios para favorecer la
circulación y evacuación de los eventuales condensados de
refrigerante, como una pendiente en algunos conductos de evacuación
(en particular en el conducto colector 120). Los conductos de
evacuación pueden comprender un colector 106 que puede situarse en
la parte superior 101a o inferior 101b de las cajas.
La solicitante calcula que el número de cajas de
contención necesarias para una cuba de 350 kA está típicamente
incluido entre aproximadamente 30 y 60. Típicamente la cantidad de
refrigerante líquido que se tiene que suministrar a cada caja se
sitúa entre 25 y 125 1/h. También calcula que la fracción de
gotitas de refrigerante efectivamente evaporada al entrar en
contacto con la caja se sitúa entre un 20 y un 60%. Típicamente la
potencia térmica evacuada se sitúa entre 5 y 25 kW/m^{2}. La
solicitante también calcula que ventajosamente, al utilizar un gas
portador, el caudal de gas portador por caja está típicamente
incluido entre 25 Nm^{3}/h y 150 Nm^{3}/h.
- 1
- Célula de electrólisis
- 2
- Caja
- 3
- Revestimiento interior lateral
- 4
- Revestimiento interior de la solera
- 5
- Elemento catódico
- 6
- Barra de unión o barra catódica
- 7
- Anodo
- 8
- Medio de soporte de un ánodo (típicamente un multípode)
- 9
- Medio de soporte y de fijación de un ánodo (varilla)
- 10
- Cuadro anódico
- 11
- Medio de abastecimiento de alúmina
- 12
- Capa de metal líquido
- 13
- Baño de electrolito
- 14
- Capa (o costra) de alúmina
- 15
- Capa de baño solidificado
- 16
- Conductor de unión (subida)
- 17
- Conductor de unión (colector)
- 18
- Conductor de unión
- 19
- Interfase entre la capa de metal líquido y el baño de electrolito
- 20
- Cuba
- 21
- Pared lateral de la caja
- 22
- Pared lateral extrema de la caja
- 23
- Pared de fondo de la caja
- 25
- Refuerzo de la caja
- 100
- Sistema de refrigeración
- 101
- Caja de contención
- 101a
- Parte superior de la caja de contención
- 10lb
- Parte inferior de la caja de contención
- 102
- Espacio confinado
- 103
- Medio para producir gotitas de refrigerante
- 104
- Conducto
- 105
- Conducto
- 106
- Colector
- 107
- Superficie de refrigeración
- 108
- Mezclador
- 109
- Medio de control del índice de producción de las gotitas de refrigerante
- 110
- Conducto de abastecimiento de gas portador
- 111
- Conducto de distribución
- 112
- Conducto aislante
- 113
- Columna de tratamiento
- 114
- Conducto de abastecimiento de refrigerante
- 120
- Conducto colector
- 121
- Conducto aislante
- 122
- Condensador
- 123
- Medio de aspiración o de soplado
- 124
- Conducto de salida.
Claims (40)
1. Procedimiento de refrigeración de una célula
de electrólisis (1) destinada a la producción de aluminio por
electrólisis ígnea, comprendiendo la correspondiente célula (1) una
cuba (20) que comprende una caja metálica (2) con paredes laterales
(21, 22) y por lo menos una pared de fondo (23), destinándose la
correspondiente cuba (20) a contener un baño de electrolito (13) y
una capa de metal líquido (12), el correspondiente procedimiento se
caracteriza porque comprende:
- -
- la producción de gotitas de un refrigerante,
- -
- la puesta en contacto de todo o parte de las correspondientes gotitas con la caja (2), provocando así la vaporización de todo o parte de éstas.
2. Procedimiento de refrigeración según la
reivindicación 1, caracterizado porque las gotitas se ponen
en contacto con la caja (2) por contención junto a la caja,
canalización, proyección, o una combinación de estos medios.
3. Procedimiento de refrigeración según la
reivindicación 1 o 2, caracterizado porque las
correspondientes gotitas se ponen en contacto con una determinada
superficie (107) de la caja (2).
4. Procedimiento de refrigeración según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque además la célula de electrólisis (1) se provee de por lo
menos un medio de contención (101) para formar un espacio confinado
(102) junto a, o en contacto con, una determinada superficie (107)
de por lo menos una de las paredes (21, 22, 23) de la caja (2) y
porque comprende la producción de gotitas de un refrigerante en el
correspondiente espacio (102), con el fin de poner todo o parte de
las correspondientes gotitas en contacto con la correspondiente
superficie (107).
5. Procedimiento de refrigeración según la
reivindicación 4, caracterizado porque el medio de
contención (101) forma un espacio confinado (102) junto a, o en
contacto con, una determinada superficie (107) de por lo menos una
de las paredes laterales (21, 22) de la caja (2).
6. Procedimiento de refrigeración según la
reivindicación 4 o 5, caracterizado porque el medio de
contención (101) se pega o se fija a la caja (2) o se solidariza
con ésta.
7. Procedimiento de refrigeración según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado
porque las correspondientes gotitas se producen por pulverización
del correspondiente refrigerante.
8. Procedimiento de refrigeración según la
reivindicación 7, caracterizado porque se utiliza por lo
menos una boquilla para efectuar la correspondiente
pulverización.
9. Procedimiento de refrigeración según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado
porque el correspondiente refrigerante es agua.
10. Procedimiento de refrigeración según la
reivindicación 9, caracterizado porque se purifica el
agua.
11. Procedimiento de refrigeración según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado
porque las correspondientes gotitas se mezclan con un gas
portador.
12. Procedimiento de refrigeración según la
reivindicación 11, caracterizado porque el gas portador se
utiliza para producir las correspondientes gotitas por
pulverización.
13. Procedimiento de refrigeración según la
reivindicación 11 o 12, caracterizado porque el
correspondiente gas portador es aire.
14. Procedimiento de refrigeración según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado
porque comprende el control del índice de producción de las gotitas
de refrigerante.
15. Procedimiento de refrigeración según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado
porque las correspondientes gotitas tienen un tamaño incluido entre
0,1 y 5 mm y preferentemente entre 1 y 5 mm.
16. Procedimiento de refrigeración según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado
porque las gotitas forman una niebla.
17. Procedimiento de refrigeración según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado
porque las gotitas de refrigerante se producen a una determinada
distancia D de una de las paredes (21, 22, 23) de la caja (2)
inferior a los 20 cm, con el fin de limitar la coalescencia de las
correspondientes gotitas antes de su vaporización al entrar en
contacto con la correspondiente pared.
\newpage
18. Procedimiento de refrigeración según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado
porque el medio de contención (101) comprende por lo menos una
caja.
19. Procedimiento de refrigeración según la
reivindicación 18, caracterizado porque se coloca la
correspondiente caja (101) de modo que se superponga al nivel medio
de la interfase (19) entre el baño de electrolito (13) y la capa de
metal líquido (12).
20. Procedimiento de refrigeración según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado
porque también comprende la evacuación de todo o parte del vapor de
refrigerante formado por la vaporización de todo o parte de las
correspondientes gotitas al entrar en contacto con la caja (2).
21. Procedimiento de refrigeración según la
reivindicación 20, caracterizado porque el correspondiente
vapor se evacua por ventilación natural, aspiración o soplado, o
una combinación de estos medios.
22. Sistema de refrigeración (100) de una célula
de electrólisis (1) destinada a la producción de aluminio por
electrólisis ígnea, comprendiendo la correspondiente célula (1) una
cuba (20) que comprende una caja metálica (2) con paredes laterales
(21, 22) y una pared de fondo (23), estando destinada la
correspondiente cuba (20) a contener un baño de electrolito (13) y
una capa de metal líquido (12), el correspondiente sistema se
caracteriza porque comprende por lo menos un medio (103)
para producir gotitas de un refrigerante y un medio (101), con el
fin de poner todo o parte de las correspondientes gotitas en
contacto con la caja (2), provocando así la vaporización de todo o
parte de éstas.
23. Sistema de refrigeración (100) según la
reivindicación 22, caracterizado porque además
comprende:
- por lo menos una caja de contención (101) a
una determinada distancia de por lo menos una de las paredes (21,
22, 23) de la caja (2),
- medios de abastecimiento (105, 111, 112, 113,
114) de refrigerante,
- por lo menos un medio (103) para producir
gotitas de refrigerante en la correspondiente caja, con el fin de
poner todo o parte de las correspondientes gotitas en contacto con
la caja (2).
24. Sistema de refrigeración (100) según la
reivindicación 23, caracterizado porque la o cada caja de
contención (101) se sitúa a una determinada distancia de por lo
menos una de las paredes laterales (21, 22) de la caja (2) inferior
a los 20 cm.
25. Sistema de refrigeración (100) según la
reivindicación 23 o 24, caracterizado porque cada caja de
contención (101) se sitúa como para superponerse al nivel medio de
la interfase (19) entre el baño de electrolito (13) y la capa de
metal líquido (12).
26. Sistema de refrigeración (100) según una
cualquiera de las reivindicaciones 23 a 25, caracterizado
porque comprende una pluralidad de cajas de contención (101)
distribuidas alrededor de la caja (2)
27. Sistema de refrigeración (100) según una
cualquiera de las reivindicaciones 23 a 26, caracterizado
porque los medios de abastecimiento (105, 111, 112, 113, 114) de
refrigerante comprenden medios de transporte (105, 111, 112, 114) y
una columna de tratamiento (113).
28. Sistema de refrigeración (100) según una
cualquiera de las reivindicaciones 22 a 27, caracterizado
porque el correspondiente medio (103) para producir gotitas es un
medio de pulverización.
29. Sistema de refrigeración (100) según la
reivindicación 28, caracterizado porque el medio de
pulverización (103) comprende por lo menos una boquilla.
30. Sistema de refrigeración (100) según la
reivindicación 29, caracterizado porque la correspondiente
boquilla es una boquilla de niebla.
31. Sistema de refrigeración (100) según una
cualquiera de las reivindicaciones 22 a 30, caracterizado
porque además comprende por lo menos un medio (104, 110) para
abastecer cada caja de contención (101) de gas portador.
32. Sistema de refrigeración (100) según la
reivindicación 31, caracterizado porque además comprende un
medio (108) para producir las correspondientes gotitas con ayuda
del correspondiente gas portador.
33. Sistema de refrigeración (100) según una
cualquiera de las reivindicaciones 22 a 32, caracterizado
porque comprende por lo menos un medio (109) para controlar el
índice de producción de las correspondientes gotitas.
34. Sistema de refrigeración (100) según una
cualquiera de las reivindicaciones 22 a 33, caracterizado
porque comprende medios (106, 120, 121, 122, 123, 124) para evacuar
todo o parte del refrigerante vaporizado.
\newpage
35. Sistema de refrigeración (100) según la
reivindicación 34, caracterizado porque los medios de
evacuación (106, 120, 121, 122, 123, 124) comprenden conductos de
evacuación (106, 120, 121, 124) y un medio de aspiración o de
soplado (123).
36. Sistema de refrigeración (100) según la
reivindicación 34 a 35, caracterizado porque los medios de
evacuación (106, 120, 121, 122, 123, 124) comprenden un condensador
(122) para condensar las gotitas de refrigerante en suspensión.
37. Utilización del procedimiento de
refrigeración según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21
para la refrigeración de una célula de producción de aluminio por
electrólisis ígnea.
38. Utilización del sistema de refrigeración
según una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 36 para la
refrigeración de una célula de producción de aluminio por
electrólisis ígnea.
39. Procedimiento de regulación de una célula de
electrólisis destinada a la producción de aluminio por
electrólisis ígnea que incluye un procedimiento de refrigeración de
la correspondiente célula según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 21.
40. Célula de electrólisis destinada a la
producción de aluminio por electrólisis ígnea que comprende un
sistema de refrigeración según una cualquiera de las
reivindicaciones 22 a 36.
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