OA12872A - Procédé et système de refroidissement d'une cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium. - Google Patents
Procédé et système de refroidissement d'une cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium. Download PDFInfo
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Description
1 012872
Domaine de l'invention L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée, notammentpar le procédé d'électrolyse Hall-Héroult, et les installations destinées à la mise enœuvre industrielle de cette production. L'invention concerne plus spécifiquement lecontrôle des flux thermiques des cellules d'électrolyse et les moyens derefroidissement qui permettent d'obtenir ce contrôle.
Etat de la technique L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir parélectrolyse de l'alumine en solution dans un bain à base de cryolithe fondue, appelébain d’électrolyte, notamment selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le baind’électrolyte est contenu dans des cuves, dites « cuves d’électrolyse », comprenantun caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ouisolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes sontpartiellement immergées dans le bain d’électrolyte. L’expression « celluled’électrolyse » désigne normalement l’ensemble comprenant une cuve d’électrolyseet une ou plusieurs anodes.
Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d’électrolyte et la napped'aluminium liquides par l'intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques etqui peut atteindre des intensités supérieures à 500 kA, opère les réactions deréduction de l'alumine et permet également de maintenir le bain d’électrolyte à unetempérature de l'ordre de 950 °C par effet Joule. La cellule d’électrolyse estrégulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la consommation enalumine résultant des réactions d’électrolyse. 012872
La cellule d'électrolyse est généralement pilotée de telle manière qu'elle se trouve enéquilibre thermique, c'est-à-dire que la chaleur dissipée par la cellule d'électrolyse estglobalement compensée par la chaleur produite dans la cellule, qui provientessentiellement du courant d'électrolyse. Le point d'équilibre thermique est 5 généralement choisi de manière à atteindre les conditions de fonctionnement les plusfavorables d'un point de vue non seulement technique, mais également économique.En particulier, la possibilité de maintenir une température de consigne optimaleconstitue une économie appréciable du coût de production de l'aluminium du fait dumaintien du rendement de courant (ou rendement Faraday) à une valeur très élevée, 10 qui atteint des valeurs supérieures à 95 % dans les usines les plus performantes.
Les conditions d'équilibre thermique dépendent des paramètres physiques de lacellule (tels que les. dimensions et la nature des matériaux constitutifs ou la résistanceélectrique de la cellule) et des conditions de fonctionnement de la cellule (telles que 15 la température du bain ou l'intensité du courant d'électrolyse). La cellule est souventconstituée et conduite de façon à entraîner la formation d'un talus de bain solidifiésur les parois latérales de la cuve, ce qui permet notamment d'inhiber l'attaque desrevêtements desdites parois par la cryolithe liquide. 20 Afin de pouvoir atteindre des intensités de courant d’électrolyse très élevées dans desvolumes de cuve d’électrolyse restreints, il est connu de munir les cellulesd’électrolyse de moyens spécifiques pour évacuer et dissiper, éventuellement demanière contrôlée, la chaleur produite par les cellules d'électrolyse. 25 En particulier, afin de favoriser plus spécifiquement la formation d'un talus de bainsolidifié, il est connu, par le brevet américain US 4 087 345, d'utiliser un caissonmuni de raidisseurs et d'un cadre de renforcement constitués de manière à favoriser lerefroidissement des côtés de cuve par convection naturelle d'air ambiant. Cesdispositifs statiques ne se prêtent pas aisément à un contrôle précis des flux 30 thermiques. 012872
Il a par ailleurs été proposé, par la demande de brevet EP 0 047 227, de renforcerl'isolation thermique de la cuve et de la munir de caloducs équipés d'échangeursthermiques. Les caloducs traversent le caisson et l'isolant thermique et sontincorporés dans les parties carbonées, telles que les dalles de bordure. Cette solutionest de mise en œuvre assez complexe et coûteuse, et entraîne de surcroît desmodifications assez importantes de la cuve.
La demande de brevet français FR 2 777 574 (correspondant au brevet américain US6 251 237), au nom d’Aluminium Pechiney, décrit un dispositif de refroidissementdes cellules d’électrolyse par soufflage d’air à jets localisés et répartis autour ducaisson. L’efficacité très élevée de ce dispositif est toutefois limitée par la capacitéthermique intrinsèque du fluide de refroidissement.
Ayant constaté l'absence de solutions connues suffisamment satisfaisantes, lademanderesse s'est fixé pour objectif de trouver des moyens, efficaces et adaptables,pour évacuer et dissiper la chaleur produite par la cellule d’électrolyse, qui puissentaisément être mis en place et qui ne nécessitent ni des modifications importantes dela cellule, et notamment du caisson, ni une infrastructure importante, ni des coûts defonctionnement supplémentaires rédhibitoires. En vue d'une utilisation aussi biendans les usines existantes que dans les nouvelles usines, la demanderesse a recherchétout particulièrement des moyens qui permettent de modifier la puissance descellules, qui s'adaptent aisément à différents types de cellule ou à différents modes defonctionnement d'un même type de cellule, et qui se prêtent à des installationsindustrielles comportant un grand nombre de cellules en série.
Description de l'invention L’invention a pour objet un procédé de refroidissement d’une cellule d’électrolyse ignée pour la production d'aluminium dans lequel un fluide caloporteur absorbe de la chaleur de ladite cellule par un changement de phase de tout ou partie dudit fluide au contact de la cuve de la cellule. 012872
Plus précisément, dans le procédé selon l’invention, on produit un « fluidecaloporteur divisé », tel que des gouttelettes d’un fluide caloporteur, et on met toutou partie desdites gouttelettes en contact avec le caisson de la cuve, de manière àentraîner la vaporisation de tout ou partie de celles-ci.
La vapeur de fluide caloporteur formée par la vaporisation de tout ou partie desditesgouttelettes au contact du caisson peut être évacuée par ventilation naturelle (telleque la convection), par soufflage ou par aspiration.
La vaporisation prélève de la chaleur de la cellule et cette chaleur peut être évacuéeensuite avec la vapeur de fluide caloporteur. La forme divisée du fluide caloporteurpermet de préserver la chaleur latente d’évaporation du fluide jusqu’à son contactavec le caisson de la cuve. Les gouttelettes s’échauffent et se vaporisent, au moinspartiellement, au contact du caisson et la vapeur ainsi produite emporte une quantitéd’énergie thermique dont une part importante correspond à la chaleur latented’évaporation du fluide.
La demanderesse a donc eu l’idée de bénéficier de la forte capacité d’absorption dechaleur liée à la vaporisation des gouttelettes pour augmenter considérablement lepouvoir de refroidissement du fluide caloporteur. En particulier, la formation d’unfluide caloporteur sous forme divisée dans un gaz permet d’obtenir une conductibilitéthermique, une chaleur massique et une chaleur latente plus élevée que le gaz seul.La demanderesse a également eu l’idée que la division ou le fractionnement du fluideen gouttelettes distinctes permet, en outre, de produire un fluide caloporteursensiblement homogène, mais discontinu, qui rompt, en particulier, la continuitéélectrique du fluide caloporteur, tout en préservant une capacité thermique élevée aufluide caloporteur.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, on munit la cellule d’électrolyse d’au moins un moyen de confinement formant un espace confiné à proximité d’une surface déterminée d’au moins une des parois du caisson de la cuve et on produit des gouttelettes d’un fluide caloporteur dans ledit espace. Le moyen de confinement peut 012872 éventuellement être en contact avec le caisson. Il peut éventuellement être accolé oufixé au caisson ou solidaire de celui-ci. L’invention a également pour objet un système de refroidissement d’une celluled'électrolyse ignée pour la production d'aluminium qui est caractérisé en ce qu’ilcomprend au moins un moyen pour produire des gouttelettes d’un fluide caloporteur,avantageusement à proximité du caisson de la cuve, et un moyen pour mettre lesditesgouttelettes en contact avec le caisson, de manière à entraîner la vaporisation de toutou partie ce celles-ci.
Le système de refroidissement selon l’invention peut également comprendre desmoyens pour évacuer le fluide caloporteur vaporisé.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, le système de refroidissementcomprend en outre au moins un boîtier de confinement, au moins un moyend’alimentation en fluide caloporteur et au moins un moyen pour produire desgouttelettes dudit fluide dans ledit boîtier.
Les boîtiers de confinement, qui sont typiquement placés à une distance déterminéede la surface du caisson de la cuve, favorisent le contact des gouttelettes avec unesurface déterminée du caisson. Ils sont de préférence placés à proximité des paroislatérales du caisson. Ils peuvent éventuellement être accolés ou fixés aux parois ducaisson ou être solidaires de celui-ci.
Ledit système de refroidissement est apte à mettre en œuvre le procédé derefroidissement selon l’invention. L’invention a aussi pour objet un procédé de régulation d’une cellule d’électrolyse destinée à la production d’aluminium par électrolyse ignée incluant un procédé de refroidissement de la cellule selon l’invention. 0128? 2 L’invention a aussi pour objet une cellule d'électrolyse destinée à la productiond’aluminium par électrolyse ignée comprenant un système de refroidissement selonl’invention. L’invention a encore pour objet l’utilisation du procédé de refroidissement selonl’invention pour le refroidissement d’une cellule production d’aluminium parélectrolyse ignée. L’invention a encore pour objet l’utilisation du système de refroidissement selonl’invention pour le refroidissement d’une cellule production d’aluminium parélectrolyse ignée. L’invention s’applique notamment à la production d’aluminium par le procédé Hall-Héroult. L’invention permet de réduire l’épaisseur des revêtements réfractaires intérieurs (ou« creuset ») des cuves de cellules d’électrolyse, notamment les parois latérales, etd’augmenter d’autant le volume interne du creuset apte à contenir le baind’électrolyse.
Figures
La figure 1 représente, en coupe transversale, une cellule d’électrolyse pour laproduction d’aluminium typique utilisant des anodes précuites en matériau carboné.
La figure 2 illustre, de manière schématisée et en coupe transversale, une celluled'électrolyse comprenant un système de refroidissement selon un mode de réalisationpréféré de l'invention.
La figure 3 illustre, de manière schématisée et en coupe transversale, une partie du système de refroidissement selon un mode de réalisation préféré de l'invention. 012872
La figure 4 illustre, de manière schématisée et en vue de côté, une cuve de celluled'électrolyse munie d’un système de refroidissement selon un mode de réalisationpréféré de l'invention. 5 La figure 5 illustre, de manière schématisée et selon la section AA de la figure 3, unecellule d’électrolyse munie d’un système de refroidissement selon un mode deréalisation préféré l’invention.
Description détaillée de l'invention 10
Tel qu’illustré à là figure 1, une cellule d'électrolyse (1) pour la productiond'aluminium par électrolyse ignée comprend typiquement une cuve (20), des anodes(7) et des moyens d’alimentation en alumine (11). Les anodes sont raccordées à uncadre anodique (10) par l’intermédiaire de moyens de support et de fixation (8, 9). La 15 cuve (20) comprend un caisson métallique (2), typiquement en acier, des éléments derevêtement intérieur (3, 4) et des éléments cathodiques (5). Les éléments derevêtement intérieur (3, 4) sont généralement des blocs en matériaux réfractaires, quipeuvent être, en tout ou partie, des isolants thermiques. Les éléments cathodiques (5)intègrent des barres de raccordement (ou barres cathodiques) (6), typiquement en 20 acier, auxquelles sont fixés lés conducteurs électriques servant à l'acheminement ducourant d'électrolyse.
Les. éléments de revêtement (3, 4) et les éléments cathodiques (5) forment, àl'intérieur de la cuve, un creuset destiné à contenir le bain d'électrolyte (13) et une 25 nappe de métal liquide (12) lorsque la cellule est en fonctionnement, au cours duquelles anodes (7) sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyte (13). Le baind'électrolyte contient de l’alumine dissoute et, en général, une couverture (ou croûte)à base d'alumine (14) recouvre le bain d'électrolyte. Dans certains modes defonctionnement, les parois latérales internes (3) peuvent être recouvertes d’une 30 couche de bain solidifié (15). Les éléments de revêtement (3, 4) sont souventconstitués de dalles de bordure en matériau carboné ou à base de composés carbonés,tels qu'un réfractaire à base de SiC, et de pâtes de brasque. 012872
Le courant d’électrolyse transite dans le bain d’électrolyte (13) par l’intermédiaire ducadre anodique (10), des moyens de support et de fixation (8, 9), des anodes (7), deséléments cathodiques (5) et des barres cathodiques (6). L'aluminium métal qui est produit au cours de l'électrolyse s'accumule normalementau fond de la cuve et il s'établit une interface (19) assez nette entre le métal liquide (12) et le bain à base de cryolithe fondue (13). La position de cette interface bain-métal peut varier au cours du temps : elle s'élève au fur et à mesure que le métalliquide s'accumule au fond de la cuve et elle s'abaisse lorsque du métal liquide estextrait de la cuve.
Plusieurs cellules d’électrolyse sont généralement disposées en ligne, dans desbâtiments appelés halls d’électrolyse, et raccordées électriquement en série à l'aide deconducteurs de liaison. Plus précisément, les barres cathodiques (6) d’une cuve dite« amont » sont raccordées électriquement aux anodes (7) d’une cuve dite « aval »,typiquement par l’intermédiaire de conducteurs de liaison (16, 17, 18) et des moyensde supports et de raccordement (8, 9, 10) des anodes (7). Les cellules sonttypiquement disposées de manière à former deux ou plusieurs files parallèles. Lecourant d’électrolyse passe ainsi en cascade d'une cellule à la suivante.
Les anodes (7) sont typiquement en matériau carboné, même si elles peuventégalement être constituées, en tout ou partie, d’un matériau non-consommable, dit« inerte », tel qu’un matériau métallique ou composite céramique/métal (ou« cermet »).
Selon l’invention, le procédé de refroidissement d’une cellule d’électrolyse (1)destinée à la production d’aluminium par électrolyse ignée, ladite cellule (1)comprenant une cuve (20) comportant un caisson métallique (2) ayant des paroislatérales (21, 22) et au moins une paroi de fond (23), ladite cuve (20) étant destinée àcontenir un bain d’électrolyte (13) et une nappe de métal liquide (12), est caractériséen ce qu’il comprend : 012872 9 - la production de gouttelettes d’un fluide caloporteur, - la mise en contact de tout ou partie desdites gouttelettes avec le caisson (2), demanière à entraîner la vaporisation de tout ou partie de celles-ci.
La vaporisation de tout ou partie des gouttelettes de fluide caloporteur entraîne untransfert de chaleur du caisson vers le fluide caloporteur, ce qui permet de préleverde la chaleur du caisson et de le refroidir.
De préférence, on met lesdites gouttelettes en contact avec une surface déterminée(107) du caisson (2), ce qui permet de sélectionner les surfaces les plus avantageusessur le plan thermique et d’augmenter ainsi l’efficacité du refroidissement de la cuvedans certaines conditions.
Le contact avec le caisson (2) (ou une surface déterminée (107) du caisson) est uncontact thermique, en ce sens qu’il permet de prélever de l’énergie thermique ducaisson par la vaporisation de tout ou partie des gouttelettes de fluide caloporteur.
Les gouttelettes peuvent être mises en contact avec le caisson, et plus précisément lasurface extérieure du caisson, de différentes façons, telles que par confinement àproximité du caisson, par canalisation, par projection, ou une combinaison de cesmoyens.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le procédé de refroidissementd’une cellule d’électrolyse (1) destinée à la production d’aluminium par électrolyseignée est caractérisé en ce que, en outre, on munit la cellule d’électrolyse (1) d’aumoins un moyen (101), dénommé « moyen de confinement », pour former un espaceconfiné (102) à proximité de (ou éventuellement en contact avec) une surfacedéterminée (107) d’au moins une des parois (21,22,23) du caisson (2), de préférenceau moins une des parois latérales (21, 22) du caisson (2), et en ce qu’il comprend laproduction de gouttelettes d’un fluide caloporteur dans ledit espace (102), de manièreà mettre tout ou partie desdites gouttelettes en contact avec ladite surface (107). 0128 η 10 L’expression « à proximité » signifie à une distance typiquement inférieure à 20 cm,voire inférieure à 10 cm.
Le confinement des gouttelettes dans un volume déterminé à proximité d’une partiedu caisson, ou en contact avec ce dernier, permet de limiter et de contrôler ladiffusion desdites gouttelettes.
Les gouttelettes sont typiquement produites à une distance D déterminée d’une desparois (21, 22, 23) du caisson (2), c’est-à-dire que la (ou les) zone(s) de productiondu fluide caloporteur divisé se situe(nt) à une distance D déterminée de ladite paroi.Le fluide caloporteur est alors acheminé, typiquement à l’état liquide, jusqu’à laditedistance D déterminée. Les gouttelettes sont de préférence formées à proximité ducaisson de la cuve afin d’éviter la coalescence (ou l’agglomération) de celles-ci avantleur vaporisation au contact de ladite paroi, c’est-à-dire que la distance déterminéeest de préférence faible (de préférence inférieure à environ 20 cm, et de préférenceencore inférieure à 10 cm). Lesdites zones de production sont typiquement localiséesdans un ou des boîtiers de confinement (101).
Les gouttelettes peuvent être produites de manière continue ou discontinue. Le tauxde production desdites gouttelettes peut être variable. Le procédé de refroidissementcomprend avantageusement le contrôle du taux de production desdites gouttelettes.La proportion volumique de gouttelettes de fluide caloporteur peut alors être variéede manière contrôlée. Cette variante de l’invention permet de contrôler finementl’extraction de chaleur de la cellule.
Lesdites gouttelettes ont typiquement une taille comprise entre 0,1 et 5 mm, et depréférence comprise entre 1 et 5 mm. Des gouttelettes de taille inférieure à 0,1 mmenviron présentent l’inconvénient d’être facilement entraînées par les mouvements del’air ambiant, ou par l’éventuel flux d’évacuation des gouttelettes vaporisées, avantd’entrer en contact avec le caisson. 012872 11
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, les gouttelettes forment unbrouillard, de préférence un brouillard dense, afin de favoriser la vaporisation desgouttelettes et d’augmenter l’efficacité du refroidissement.
On produit avantageusement lesdites gouttelettes par pulvérisation dudit fluidecaloporteur, typiquement à partir de la phase liquide. Cette pulvérisation peut êtreeffectuée en utilisant au moins une buse.
Le fluide caloporteur est avantageusement de l’eau car cette substance possède unechaleur latente de vaporisation très élevée. Ladite eau est de préférence purifiée, afinde réduire sa conductivité électrique et de limiter les dépôts sur la paroi du caissonqui pourraient, à terme, réduire l’efficacité du refroidissement. Cette purification estavantageusement effectuée, en amont, à l’aide d’une colonne de traitement (113).Elle comprend typiquement une opération de désionisation de l’eau. De préférence,l’eau purifiée contient au total une quantité d’ions (anions et cations) inférieure à 10pg par litre d’eau, et de préférence encore inférieure à 1 pg par litre d’eau.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, le moyen de confinement (101)comporte au moins un boîtier, c’est-à-dire que l’on confine le fluide caloporteur àl’aide d’au moins un boîtier (101). Ce boîtier est placé à une distance déterminée dela paroi du caisson. Ce mode de réalisation permet d’augmenter la probabilité d’uncontact physique entre lesdites gouttelettes et la surface du caisson (et de préférenceune surface déterminée (107) du caisson), et d’empêcher leur dispersion dansl’espace environnant la cuve (20). Le boîtier de confinement (101) a typiquement unespace ou volume interne (102) déterminé, mais il est avantageusement ouvert,typiquement du côté du caisson. Il est éventuellement possible de contrôlerindividuellement de taux de formation des gouttelettes dans chaque boîtier deconfinement (101).
Le moyen de confinement (101) peut être accolé ou fixé au caisson (2) ou solidaire de celui-ci. 012872 12 • Il est avantageux de placer ledit boîtier (101) de manière à ce qu’il chevauche leniveau moyen de l’interface (19) entre le bain d’électrolyte (13) et la nappe de métalliquide (12), c’est-à-dire de manière à se situer de part et d’autre du niveau moyen deladite interface. 5
Le procédé de refroidissement selon l’invention peut comprendre, en outre, uneévacuation de tout ou partie de la vapeur de fluide caloporteur formée par lavaporisation de tout ou partie desdites gouttelettes au contact du caisson (2) (et enparticulier au contact de ladite surface déterminée (107)). Cette évacuation peut être 10 effectuée par ventilation naturelle, par aspiration ou par soufflage, ou unecombinaison de ces moyens. La vapeur de fluide caloporteur est typiquementévacuée de manière continue.
De préférence, le fluide caloporteur vaporisé est canalisé (typiquement par aspiration 15 ou soufflage) vers un lieu éloigné des cuves, qui peut se situer dans le même hall ouà l’extérieur de celui-ci, ou le fluide caloporteur peut éventuellement être refroidi, demanière à condenser la vapeur de fluide caloporteur, et réintroduit dans le circuit derefroidissement. 20 De manière avantageuse, lorsque le procédé comprend une évacuation de la vapeurde fluide caloporteur, les gouttelettes sont mélangées à un gaz porteur afin defaciliter l’évacuation du fluide caloporteur vaporisé et de favoriser l’évaporation deséventuels condensats de fluide caloporteur. Le gaz porteur peut être ajouté aux ditesgouttelettes. Le gaz porteur peut avantageusement être utilisé pour produire les 25 gouttelettes de fluide caloporteur par pulvérisation. Dans ce but, le gaz porteur peutêtre acheminé sous forme comprimée. Le gaz porteur est typiquement de l’air, mais ilest possible, dans le cadre de l’invention, d’utiliser d’autres gaz ou mélanges de gaz.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, le procédé comprend la mise en 30 circulation d’un fluide caloporteur, dans un circuit, ouvert ou fermé, comportant : 012872 13 - une première partie pour l’alimentation en fluide caloporteur, c’est-à-dire pour lafourniture et l’acheminement du fluide caloporteur, typiquement à l’état liquide, versle ou les zones de production des gouttelettes ; - une deuxième partie pour la formation de gouttelettes de fluide caloporteur,typiquement dans ledit espace confiné, et pour la mise en contact du fluidecaloporteur divisé avec le caisson, de manière à provoquer sa vaporisation totale oupartielle ; - une troisième partie pour l’évacuation du fluide caloporteur vaporisé.
En pratique, le fluide caloporteur évacué comprend typiquement de la vapeur etquelques gouttelettes fines non-vaporisées. Il peut éventuellement contenir uncondensât liquide dudit fluide caloporteur récupéré à une certaine distance ducaisson.
Selon l’invention, le système de refroidissement (100) d’une cellule d’électrolyse (1)destinée à la production d’aluminium par électrolyse ignée, ladite cellule (1)comprenant une cuve (20) comportant un caisson métallique (2) ayant des paroislatérales (21, 22) et au moins une paroi de fond (23), ladite cuve (20) étant destinée àcontenir un bain d’électrolyte (13) et une nappe de métal liquide (12), est caractériséen ce qu’il comprend au moins un moyen (103) pour produire des gouttelettes d’unfluide caloporteur, typiquement à proximité du caisson (2) de la cellule (1), et unmoyen (101) pour mettre tout ou partie desdites gouttelettes en contact avec lecaisson (2), de manière à entraîner la vaporisation de tout ou partie ce celles-ci.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, le système de refroidissement(100) d’une cellule d’électrolyse (1) destinée à la production d’aluminium parélectrolyse ignée est caractérisé en ce qu’il comprend en outre : - au moins un boîtier de confinement (101) à une distance déterminée d’au moins unedes parois (21,22, 23) du caisson (2), - des moyens d’alimentation (105, 111,112, 113, 114) en un fluide caloporteur, 012872 14 - au moins un moyen (103) pour produire des gouttelettes de fluide caloporteur dansledit boîtier, de manière à mettre tout ou partie desdites gouttelettes en contact avecle caisson (2).
Les boîtiers de confinement (101) sont typiquement à une proximité des parois (21,22, 23) du caisson (2) ou, éventuellement, en contact avec le caisson (2). Ils sontplacés avantageusement à une proximité de, ou en contact avec, au moins une desparois latérales (21, 22) dudit caisson (2). L’expression « à proximité » signifie à unedistance déterminée typiquement inférieure à 20 cm, voire inférieure à 10 cm.
Les boîtiers de confinement (101) peuvent être accolés ou fixés au caisson (2) ousolidaire de celui-ci.
Chaque boîtier de confinement (101) forme un espace confiné (102) correspondanttypiquement à un volume interne déterminé. Le boîtier de confinement (101) estavantageusement ouvert, typiquement du côté du caisson (2), de manière à favoriserles échanges thermiques entre le caisson et les gouttelettes. Le boîtier de confinement(101) peut éventuellement être ouvert, en particulier, dans sa partie supérieure (101a)et/ou dans sa partie inférieure (101b).
Ledit système comporte avantageusement une pluralité de boîtiers de confinement(101) répartis autour du. caisson (2) et, de préférence, sur les parois latérales (21, 22)du caisson (2). Chaque boîtier de confinement (101) est avantageusement placé demanière à chevaucher le niveau moyen de l’interface (19) entre le bain d’électrolyte (13) et la nappe de métal liquide (12). Dans ce cas, chaque boîtier est typiquementplacé de manière sensiblement symétrique par rapport au niveau moyen de l’interface(la hauteur H1 au-dessus du niveau moyen (19) et la hauteur H2 au-dessous duniveau moyen (19) sont alors sensiblement égales).
La profondeur moyenne P des boîtiers de confinement (101) est typiquement inférieure à 20 cm. La hauteur H des boîtiers, du côté de la surface (107), est typiquement comprise entre 20 cm et 100 cm, voire entre 20 cm et 80 cm. La largeur 012872 15 L des boîtiers de confinement (101) peut être inférieure ou égale à l’espacement Eentre les raidisseurs (25) ; ils peuvent également s’intégrer aux, ou intégrer, lesditsraidisseurs. La surface détenninée (107) couverte par les boîtiers est typiquementcomprise entre 0,2 et 1 m2, et plus typiquement comprise entre 0,3 et 0,5 m2.
Le moyen (103) pour produire des gouttelettes est avantageusement un moyen depulvérisation. Ce moyen comporte typiquement au moins une buse, telle qu’une buseà brouillard.
Les boîtiers de confinement peuvent comprendre un ou plusieurs moyens (103) pourproduire des gouttelettes.
Le décalage ΔΗ entre le ou les moyens de pulvérisation (103) et le niveau moyen (19) de l’interface bain métal peut être positif, nul ou négatif, c’est-à-dire que la busepeut se situer au-dessus ou au-dessous du niveau de l’interface ou au même niveauque ladite interface.
Les moyens d’alimentation (105, 111, 112, 113, 114) en un fluide caloporteurcomprennent typiquement des moyens d’acheminement (105, 111, 112, 114), telsque des conduits, et une colonne de traitement (113). Les moyens d’acheminementcomprennent typiquement un conduit de distribution (111), un conduit isolantélectrique (112) et un conduit d’alimentation en fluide caloporteur (114).
Avantageusement, le système selon l’invention comprend en outre au moins unmoyen (104, 110), tel qu’un conduit, pour alimenter chaque boîtier de confinement(101) en gaz porteur, éventuellement sous pression. De préférence, il comporte enoutre un moyen (108), tel qu’un mélangeur, pour produire lesdites gouttelettes àl’aide dudit gaz porteur.
Le système de refroidissement selon l’invention comporte avantageusement au moins un moyen (109) pour contrôler le taux de production des gouttelettes de fluide caloporteur. 012872 16
Le système de refroidissement selon l’invention comprend avantageusement desmoyens (106, 120, 121, 122, 123, 124) pour évacuer tout ou partie du fluidecaloporteur vaporisé au contact du caisson (2). Les moyens d’évacuation permettentd’évacuer la vapeur de fluide caloporteur formée par la vaporisation de tout ou partiedesdites gouttelettes au contact de ladite surface (107).
Les moyens d’évacuation (106, 120, 121, 122, 123, 124), qui comprennenttypiquement des moyens de canalisation, sont aptes à évacuer tout ou partie de lavapeur de fluide caloporteur après évaporation ou vaporisation de tout ou partiedesdites gouttelettes au contact du caisson (2). En particulier, lesdits moyensd’évacuation comprennent typiquement des conduits d’évacuation (106, 120, 121,124) et un moyen d’aspiration ou de soufflage (123). Les conduits d’évacuationincluent typiquement un conduit collecteur (120), un conduit isolant électrique (121)et un conduit de sortie (124). Le moyen d’aspiration ou de soufflage (123) esttypiquement un ventilateur. Ces moyens peuvent également comprendre uncondenseur (122) pour condenser les gouttelettes de fluide caloporteur en suspension.Cette condensation permet, notamment, de récupérer le fluide caloporteur et de leréintroduire dans le circuit de refroidissement. Le condenseur peut avantageusementcomprendre des moyens de refroidissement du fluide caloporteur condensé afin depouvoir le réintroduire dans le circuit de refroidissement à une températuredéterminée, qui est généralement nettement plus faible que la température devaporisation. Il est avantageux de prévoir des moyens pour favoriser l’écoulement etl’évacuation des éventuels condensais de fluide caloporteur, tels qu’une pente danscertains conduits d’évacuation (notamment dans le conduit collecteur (120)). Lesconduits d’évacuation peuvent comprendre un collecteur (106), qui peut être placédans la partie supérieure (101a) ou inférieure (101b) des boîtiers.
La demanderesse estime' le nombre de boîtiers de confinement nécessaires pour une cuve de 350 kA est typiquement compris entre 30 et 60 environ. La quantité de fluide caloporteur liquide à fournir à chaque boîtier se situe typiquement entre 25 et 125 1/h.
Elle estime aussi que la fraction des gouttelettes de fluide caloporteur effectivement 012872 17 évaporée au contact du caisson se situe entre 20 et 60 %. La puissance thermiqueévacuée se situe typiquement entre 5 et 25 kW/m2. La demanderesse estimeégalement que, si un gaz porteur est utilisé, le débit de gaz porteur par boîtieravantageusement est typiquement compris entre 25 Nm Zh et 150 Nm Zh.
Liste des repères numériques 1 Cellule d'électrolyse 2 Caisson 3 Revêtement intérieur latéral 4 Revêtement intérieur de la sole 5 Elément cathodique 6 Barre de raccordement ou barre cathodique 7 Anode 8 Moyen de support d’une anode (typiquement un multipode) 9 Moyen de support et de fixation d’une anode (tige) 10 Cadre anodique 11 Moyen d’alimentation en alumine 12 Nappe de métal liquide 13 Bain d'électrolyte 14 Couverture (ou croûte) d’alumine 15 Couche de bain solidifié 16 Conducteur de liaison (montée) 17 Conducteur de liaison (collecteur) 18 Conducteur de liaison 19 Interface entre la nappe de métal liquide et le bain d’électrolyte 20 Cuve 21 Paroi latérale du caisson 22 Paroi latérale d’extrémité du caisson 23 Paroi de fond du caisson 25 Raidisseur de caisson 100 Système de refroidissement 012872 18 101 Boîtier de confinement 101a Partie supérieure du boîtier de confinement101b Partie inférieure du boîtier de confinement 102 Espace confiné 5 103 Moyen pour produire des gouttelettes de fluide caloporteur 104' Conduit 105 Conduit 106 Collecteur 107 Surface de refroidissement 10 108 Mélangeur 109 Moyen de contrôle du taux de production des gouttelettes de fluide caloporteur 110 Conduit d’alimentation en gaz porteur 111 Conduit de distribution 112 Conduit isolant 15 113 Colonne de traitement 114 Conduit d’alimentation en fluide caloporteur 120 Conduit collecteur 121 Conduit isolant 122 Condenseur 20 123 Moyen d ’ aspiration ou de soufflage 124 Conduit de sortie
Claims (40)
- 012872 19 REVENDICATIONS1. Procédé de refroidissement d’une cellule d’électrolyse (1) destinée à laproduction d’aluminium par électrolyse ignée, ladite cellule (1) comprenant une 5 cuve (20) comportant un caisson métallique (2) ayant des parois latérales (21, 22) et au moins une paroi de fond (23), ladite cuve (20) étant destinée à contenirun bain d’électrolyte (13) et une nappe de métal liquide (12), ledit procédé étantcaractérisé en ce qu’ il comprend : - la production de gouttelettes d’un fluide caloporteur, 10 - la mise en contact de tout ou partie desdites gouttelettes avec le caisson (2), de manière à entraîner la vaporisation de tout ou partie ce celles-ci.
- 2. Procédé de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’on metlesdites gouttelettes en contact avec le caisson (2) par confinement à proximité 15 du caisson, par canalisation, par projection, ou une combinaison de ces moyens.
- 3. Procédé de refroidissement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’onmet lesdites gouttelettes en contact avec une surface déterminée (107) du caisson(2)· 20
- 4. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisé en ce que, en outre, on munit la cellule d’électrolyse (1) d’au moinsun moyen de confinement (101) pour former un espace confiné (102) àproximité de, ou en contact avec, une surface déterminée (107) d’au moins une 25 des parois (21, 22, 23) du caisson (2), et en ce qu’il comprend la production de gouttelettes d’un fluide caloporteur dans ledit espace (102), de manière à mettretout ou partie desdites gouttelettes en contact avec ladite surface (107).
- 5. Procédé de refroidissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le 30 moyen de confinement (101) fonne un espace confiné (102) à proximité de, ou en contact avec, une surface déterminée (107) d’au moins une des parois latérales (21, 22) du caisson (2). 012872 20
- 6. Procédé de refroidissement selon ia revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lemoyen, de confinement (101) est accolé ou fixé au caisson (2) ou solidaire decelui-ci. 5
- 7. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 6,caractérisé en ce qu’on produit lesdites gouttelettes par pulvérisation dudit fluidecaloporteur.
- 8. Procédé de refroidissement selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’on utilise au moins une buse pour effectuer ladite pulvérisation.
- 9. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur est de l’eau. 15
- 10. Procédé de refroidissement selon la revendication 9, caractérisé en ce que l’eauest purifiée.
- 11. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, 20 caractérisé en ce qu’on mélange lesdites gouttelettes à un gaz porteur.
- 12. Procédé de refroidissement selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’onutilise ledit gaz porteur pour produire lesdites gouttelettes par pulvérisation.
- 13. Procédé de refroidissement selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que ledit gaz porteur est de l’air.
- 14. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 13,caractérisé en ce qu’il comprend le contrôle du taux de production des 30 gouttelettes de fluide caloporteur. 012872 21
- 15. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 14,caractérisé en ce que lesdites gouttelettes ont une taille comprise entre 0,1 et 5mm, et de préférence entre 1 et 5 mm.
- 16. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les gouttelettes forment un brouillard.
- 17. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 16,caractérisé en ce qu’on produit les gouttelettes de fluide caloporteur à une 10 distance déterminée D d’une des parois (21, 22, 23) du caisson (2) inférieure à20 cm, de manière à limiter la coalescence desdites gouttelettes avant leurvaporisation au contact avec ladite paroi.
- 18. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 17, 15 caractérisé en ce que le moyen de confinement (101) comporte au moins un boîtier.
- 19. Procédé de refroidissement selon la revendication 18, caractérisé en ce qu’onplace ledit boîtier (101) de manière à ce qu’il chevauche le niveau moyen de 20 l’interface (19) entre le bain d’électrolyte (13) et la nappe de métal liquide (12).
- 20. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 19,caractérisé en ce qu’il comprend en outre l’évacuation de tout ou partie de lavapeur de fluide caloporteur formée par la vaporisation de tout ou partie desdites 25 gouttelettes au contact du caisson (2).
- 21. Procédé de refroidissement selon la revendication 20, caractérisé en ce qu’onévacue ladite'vapeur par ventilation naturelle, par aspiration ou par soufflage, ouune combinaison de ces moyens. 30
- 22. Système de refroidissement (100) d’une cellule d’électrolyse (1) destinée à laproduction d’aluminium par électrolvse ignée, ladite cellule (1) comprenant une 012872 22 cuve (20) comportant un caisson métallique (2) ayant des parois latérales (21,22) et une paroi de fond (23)s ladite' cuve (20) étant destinée à contenir un baind’électrolyte (13) et une nappe de métal liquide (12), ledit système étantcaractérisé en ce qu’il comprend au moins un moyen (103) pour produire desgouttelettes d’un fluide caloporteur et un moyen (101) pour mettre tout ou partiedesdites gouttelettes en· contact avec le caisson (2), de manière à entraîner lavaporisation de tout ou partie ce celles-ci.
- 23. Système de refroidissement (100)· selon la revendication 22, caractérisé en cecaractérisé en ce qu’il comprend en outre : - au moins un boîtier de confinement (101) à une distance déterminée d’aumoins une des parois (21,22,23) du caisson (2), - des moyens d’alimentation (105, 1 l.fr 112, 113,114) en un fluide caloporteur, - au moins un moyen (103) pour produire des gouttelettes de fluide caloporteurdans ledit boîtier, de manière à. mettre tout ou partie desdites gouttelettes encontact avec le caisson (2).
- 24. Système de refroidissement (100) selon la revendication 23, caractérisé en ce leou chaque boîtier de confinement (101) est à une distance déterminée d’aumoins une des parois latérales (21,22) du caisson (2). inférieure à 20 cm.
- 25. Système de refroidissement (100) selon là revendication 23 ou 24, caractérisé ence que chaque boîtier de confinement (101) ,est placé de manière à chevaucher leniveau moyen de l’interface (19) entre le bain d’électrolyte (13) et la nappe demétal liquide (12).
- 26. Système de refroidissement (100) selon l’une quelconque des revendications 23à 25, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité dé boîtiers de confinement(lOl).répartis autour du caisson (2).
- 27. Système· de refroidissement (100) selon l’une quelconque des revendications 23à 26, caractérisé en ce que les moyens d’alimentation (105, 111, 112, 113, 114) 012872 23 en fluide caloporteur comprennent des moyens d’acheminement (105, 111» 112,114) et une colonne de traitement (113).
- 28. Système de refroidissement (100) selon l’une quelconque des revendications 22à 27, caractérisé en ce que ledit moyen (103) pour produire des gouttelettes estun moyen de pulvérisation.
- 29. Système de refroidissement (100) selon la revendication 28, caractérisé en ceque le moyen de pulvérisation (103) comporte au moins une buse.
- 30. Système de refroidissement (100) selon la revendication 29, caractérisé en ceque ladite buse est une buse à brouillard.
- 31. Système de refroidissement (100) selon l’une quelconque des revendications 22à 30, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins un moyen (104, 110)pour alimenter chaque boîtier de confinement (101) en gaz porteur.
- 32. Système de refroidissement (100) selon la revendication 31, caractérisé en cequ’il comporte en outre un moyen (108) pour produire lesdites gouttelettes àl’aide dudit gaz porteur.
- 33. Système de refroidissement (100) selon l’une quelconque des revendications 22à 32, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un moyen (109) pour contrôler letaux de production desdites gouttelettes.
- 34. Système de refroidissement (100) selon l’une quelconque des revendications 22à 33, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens (106, 120, 121, 122, 123,124) pour évacuer tout ou partie du fluide caloporteur vaporisé.
- 35. Système de refroidissement (100) selon la revendication 34, caractérisé en ceque les moyens d’évacuation (106, 120, 121, 122, 123, 124) comprennent des 01287 24 conduits d’évacuation (106, 120, 121, 124) et un moyen d’aspiration ou desoufflage (123).
- 36. Système de refroidissement (100) selon la revendication 34 à 35, caractérisé en5 ce que les moyens d’évacuation (106, 120, 121, 122, 123, 124) comprennent un condenseur (122) pour condenser les gouttelettes de fluide caloporteur ensuspension.
- 37. Utilisation du procédé de refroidissement selon l’une quelconque des 10 revendications 1 à 21 pour le refroidissement d’une cellule de production d’aluminium par électrolyse ignée.
- 38. Utilisation du système de refroidissement selon l’une quelconque desrevendications 22 à 36 pour le refroidissement d’une cellule de production 15 d’aluminium par électrolyse ignée.
- 39. Procédé de régulation d’une cellule d’électrolyse destinée à la productiond’aluminium par électrolyse ignée incluant un procédé de refroidissement deladite cellule selon l’une quelconque des revendications 1 à 21. 20
- 40. Cellule d’électrolyse destinée à la production d’aluminium par électrolyse ignéecomprenant un système de refroidissement selon l’une quelconque desrevendications 22 à 36. 25
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