Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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PROCEDE ET SYSTEME DE REFROIDISSEMENT D'UNE CUVE
D'ELECTROLYSE POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM
Domaine de (invention
L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée,
notamment
par le procédé d'électrolyse Hall-Héroult, et les installations destinées à la
mise en
oeuvre industrielle de cette production. L'invention concerne plus
spécifiquement le
contrôle des flux thermiques des cellules d'électrolyse et les moyens de
refroidissement qui permettent d'obtenir ce contrôle.
Etat de la technique
L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir
par
électrolyse de (alumine en solution dans un bain à base de cryolithe fondue,
appelé
bain d'électrolyte, notamment selon le procédë bien connu de Hall-Héroult. Le
bain
d'électrolyte est contenu dans des cuves, dites « cuves d'ëlectrolyse »,
comprenant
un caisson en acier, qui est revêtu intërieurement de matériaux réfractaires
et/ou
isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes sont
partiellement immergées dans le bain d' électrolyte. L' expression « cellule
d'électrolyse » désigne normalement l'ensemble comprenant une cuve
d'électrolyse
et une ou plusieurs anodes.
Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyte et la nappe
d'aluminium liquides par l'intermédiaire des anodes et des éléments
cathodiques et
qui peut atteindre des intensités supérieures à 500 kA, opére les réactions de
réduction de l'alumine et permet également de maintenir le bain d'électrolyte
à une
température de l'ordre de 950 °C par effet Joule. La cellule
d'électrolyse est
régulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la consommation en
alumine résultant des réactions d'électrolyse.
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La cellule d'électrolyse est généralement pilotée de telle manière qu'elle se
trouve en
équilibre thermique, c'est-à-dire que la chaleur dissipée par la cellule
d'électrolyse est
globalement compensée par la chaleur produite dans la cellule, qui provient
essentiellement du courant d'électrolyse. Le point d'équilibre thermique est
généralement choisi de manière à atteindre les conditions de fonctionnement
les plus
favorables d'un point de-vue non seulement technique, mais également
économique.
En particulier; la possibilité ~de maintenir une tempërature de consigne'-
optimale
constitue une économie appréciable du coût de production de (aluminium du fait
du ,
maintien du rendement de coiu~ant (ou rendement Faraday) à une valeur très
élevée,
qui atteint des valeurs supérieures à 95 % dans les usines les plûs
performantes.
Les conditions d'équilibre thermique dépendent des paramètres physiques de la
cellule (tels que les. dimensions et la nature des matériaux constitutifs ou
la résistance
électrique de la cellule) et des conditions de fonctionnement de ,la cellule
(telles que
la température du bain ou l'intensité du courant d'électrolyse). La cellule
est souvent
constituée et conduite de façon à entraîner la formation d'un talus de bain
solidifié
sur les parois latérales de la cuve, ce qui peiznet notamment d'inhiber
l'attaque des
revétements desdites parois par la cryolithe liquide.
Afin de pouvoir atteindre des intensités de courant d'électrolyse très élevées
dans des
volumes de cuve d'électrolyse restreints, il est connu de munir les cellules
d'électrolyse de moyens spécifiques pour évacuer et dissiper, éventuellement
de
manière contrôlée, la chaleur produite par les cellules d'électrolyse.
En particulier, afin de favoriser plus spécifiquement la formation d'un talus
de bain
solidifié, il est connu, par le brevet américain US 4 087 345, d'utiliser un
caisson
muni de raidisseurs et d'un cadre de renforcement constitués de manière à
favoriser le
refroidissement des côtés de cuve par convection naturelle d'air ambiant. Ces
dispositifs statiques ne se prêtent pas aisément à un contrôle précis des flux
thermiques.
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Il a par ailleurs ëté proposé, par la demande de brevet EP 0 047 227, de
renforcer
l'isolation thermique de la cuve et de la munir de caloducs équipés
d'échangeurs
thermiques. Les caloducs traversent le caisson et (isolant thermique et sont
incorporés dans les parties carbonées, telles que les dalles de bordure. Cette
solution
est de mise en oeuvre assez complexe et coûteuse, et entraîne de surcroît des
modif cations assez importantes de la cuve.
La demande de brevet français FR 2 777 574 (correspondant au brevet amëricain
US
6 251 237), au nom d'Aluminium Pechiney, décrit un dispositif de
refroidissement
des cellules d'électrolyse par soufflage d'air à jets localisës et répartis
autour du
caisson. L'efficacité très élevée de ce dispositif est toutefois limitée par
la capacité
thermique intrinsèque du fluide de refroidissement.
Ayant constaté l'absence de solutions connues suffisamment satisfaisantes, la
demanderesse 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
puissent
aisément être mis en place et qui ne nécessitent ni des modifications
importantes de
la cellule, et notamment du caisson, ni une infrastructure importante, ni des
coûts de
fonctionnement supplémentaires rédhibitoires. En vue d'une utilisation aussi
bien
dans les usines existantes que dans les nouvelles usines, la demanderesse a
recherché
tout particulièrement des moyens qui permettent de modifier la puissance des
cellules, qui s'adaptent aisément à différents types de cellule ou à
différents modes de
fonctionnement d'un même type de cellule, et qui se prêtent à des
installations
industrielles 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'ëlectrolyse
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.
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Plus précisément, dans le procédé selon l'invention, on produit un « fluide
caloporteur divisé », tel que des gouttelettes d'un fluide caloporteur, et on
met tout
ou partie desdites gouttelettes en contact avec le caisson de la cuve, de
manière à
entraîner la vaporisation de tout ou partie de celles-ci.
La vapeur de fluide caloporteur formée par la vaporisation de tout ou partie
desdites
gouttelettes au contact du caisson peut être évacuée par ventilation naturelle
(telle
que Ia convection), par soufflage ou par aspiration.
La vaporisation prélève de la chaleur de Ia cellule et cette chaleur peut être
évacuée
ensuite avec Ia vapeur de fluide caloporteur. La forme divisée du fluide
caloporteur
permet de prëserver la chaleur latente d'évaporation du fluide jusqu'à son
contact
avec Ie caisson de Ia cuve. Les gouttelettes s'ëchauffent et se vaporisent, au
moins
partiellement, au contact du caisson et la vapeur ainsi produite emporte une
quantité
d'énergie thermique dont une part importante correspond à la chaleur latente
d' évaporation du fluide.
La demanderesse a donc eu l'idée de bénéficier de la forte capacité
d'absorption de
chaleur liée à la vaporisation des gouttelettes pour augmenter
considérablement le
pouvoir de refroidissement du fluide caloporteur. En particulier, la formation
d'un
fluide caloporteur sous forme divisée dans un gaz permet d'obtenir une
conductibilité
thermique, une chaleur massique et une chaleur latente plus élevée que le gaz
seul.
La demanderesse a ëgalement eu l'idée que la division ou le fractionnement du
fluide
en gouttelettes distinctes permet, en outre, de produire un fluide caloporteur
sensiblement homogène, mais discontinu, qui rompt, en particulier, la
continuité
électrique du fluide caloporteur, tout en préservant une capacité thermique
élevée au
fluide 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 confzné 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
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éventuellement être en contact avec le caisson. Il peut éventuellement être
accolé ou
fixé au caisson ou solidaire de celui-ci.
L'invention a également pour objet un système de refroidissement d'une cellule
5 d'électrolyse ignée pour la production d'aluminium qui est caractérisé en ce
qu'il
comprend 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
lesdites
gouttelettes en contact avec le caisson, de manière à entraîner la
vaporisation de tout
ou partie ce celles-ci.
Le système de refroidissement selon l'invention peut également comprendre des
moyens pour évacuer le fluide caloporteur vaporisé.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le système de
refroidissement
comprend en outre au moins un boîtier de confinement, au moins un moyen
d'alimentation en fluide caloporteur et au moins un moyen pour produire des
gouttelettes dudit fluide dans ledit boîtier.
Les boîtiers de confinement, qui sont typiquement placés à une distance
déterminée
de la surface du caisson de la cuve, favorisent le contact des gouttelettes
avec une
surface déterminéé du caisson. Ils sont de préférence placés à proximité des
parois
latérales du caisson. Ils peuvent éventuellement être accolés ou fzxés aux
parois du
caisson ou être solidaires de celui-ci.
Ledit système de refroidissement est apte à mettre en oeuvre le procédé de
refroidissement selon l'invention.
L'invention a aussi pour objet un procédé de régulation d'une cellule
d'ëlectrolyse
destinée à Ia production d'aluminium par électrolyse ignée incluant un procédé
de
refroidissement de Ia cellule selon l'invention.
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L'invention a aussi pour objet une cellule d'électrolyse destinée à la
production
d'aluminium par électrolyse ignée comprenant un système de refroidissement
selon
l'invention.
L'invention a encore pour objet l'utilisation du procédé de refroidissement
selon
l'invention pour le refroidissement d'une cellule production d'aluminium par
électrolyse ignée.
L'invention a encore pour objet l'utilisation du système de refroidissement
selon
l'invention pour le refroidissement d'une cellule production d'aluminium par
électrolyse 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, et
d'augmenter d'autant le volume interne du creuset apte à contenir le bain
d'électrolyse.
Figures
La figure 1 représente, en coupe transversale, une cellule d'électrolyse pour
la
production d'aluminium typique utilisant des anodes précuites en matériau
carboné.
La figure 2 illustre, de manière schématisée et en coupe transversale, une
cellule
d'électrolyse comprenant un système de refroidissement selon un mode de
réalisation
préféré de l'invention.
La figure 3 illustre, de maniëre schématisée et en coupe transversale, une
partie du
système de refroidissement selon un mode de réalisation préférë de
l'invention.
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La figure 4 illustre, de maiïière schématisée et en vue de côté, une cuve de
cellule
d'électrolyse munie d'un système de refroidissement selon un mode de
réalisation
préféré de l'invention.
S La figure 5 illustre, de manière schématisée et selon la section AA de la
figure 3, une
cellule d'électrolyse munie d'un système de refroidissement selon un mode de
' réalisation préféré l'.invention.
Description détaillée de l'invention
Tel qu'illustré à lâ figure 1, une cellule d'électrolyse (1) pour la
production
d'aluminium pax électrolyse ignée comprend typiquement une cuve (20), des
anodes
(7) et des moyens d'alimentation en alumine (11). Les anodes sont raccordées à
un
cadre anodique (10) par' l'intermédiaire de moyens de support et de fixation
(8, 9). La
cuve (20) comprend ün caisson métallique (2), typiquement en acier, des
éléments de
revêtement intérieur (3, 4) et des éléments cathodiques (S). Les éléments de
revêtement intérieur (3, 4) sont généralement des blocs en matériaux
réfractaires, qui
peuvent être, en tout 6ü partie, des isolants thermiques. Les éléments
cathodiques (S)
intègrent des barres de raccordement (ou barres cathodiques) (6), typiquement
en
acier, auxquelles sont fixés lés conducteurs électriques servant à
l'acheminement du
courant d'électrolyse.
Les . éléments de revêtement (3, 4) et les éléments cathodiques (5) forment, à
l'intérieur de la cuve, un creuset destinë à contenir le bain d'électrolyte
(13) et une
nappe de métal liquide (12) lorsque la cellule est en fonctionnement, au cours
duquel
les anodes (7) sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyte (13).
Le bain
d'électrolyte contient de l'alumine dissoute et, en général, une couverture
(ou croûte)
à base d'alumine (14) recouvre le bain d'ëlectrolyte. Dans certains modes de
fonctionnement, les parois latérales internes (3) peuvent être recouvertes
d'une
couche de bain solidifié (15). Les éléments de revêtement (3, 4) sont souvent
constitués de dalles de bordure en matériau carboné ou â base de composés
carbonés,
tels qu'un réfractaire â base de SiC, et de pâtes de brasque.
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Le courant d'électrolyse transite dans le bain d'électrolyte (13) par
l'intermédiaire du
cadre anodique (10), des moyens de support et de fixation (8, 9), des anodes
(7), des
éléments cathodiques (5) et des barres cathodiques (6).
L'aluminium métal qui est produit au cours de l'électrolyse s'accumule
normalement
au 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
métal
liquide s'accumule au fond de la cuve et elle s'abaisse lorsque du métal
liquide est
extrait de la cuve.
Plusieurs cellules d'électrolyse sont généralement disposées en ligne, dans
des
bâtiments appelés halls d'électrolyse, et raccordées électriquement en série à
l'aide de
conducteurs de liaison. Plus précisément, les barres cathodiques (6) d'une
cuve dite
« amont » sont raccordées électriquement aux anodes (7) d'une cuve dite ee
aval »,
typiquement par l'intermédiaire de conducteurs de liaison (16, 17, 18) et des
moyens
de supports et de raccordement (8, 9, 10) des anodes (7). Les cellules sont
typiquement disposées de manière à former deux ou plusieurs files parallèles.
Le
courant d'électrolyse passe ainsi en cascade d'une cellule à la suivante.
Les anodes (7) sont typiquement en matériau carboné, même si elles peuvent
également étre 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 parois
latérales (21, 22) et au moins un.e paroi de fond (23), ladite cuve (20) étant
destinée à
contente' un bain d'électrolyte (13) et une nappe de métal liquide (12), est
caractérisé
en ce qu' il comprend
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- la production de gouttelettes d'un fluide caloporteur,
- la mise en contact de tout ou partie desdites gouttelettes avec le caisson
(2), de
manière à entraîner la vaporisation de tout ou partie de celles-ci.
La vaporisation de tout ou partie des gouttelettes de fluide caloporteur
entraîne un
transfert de chaleur du caisson vers le fluide caloporteur, ce qui permet de
prélever
de 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
avantageuses
sur le plan thermique et d'augmenter ainsi l'efficacité du refroidissement de
la cuve
dans certaines conditions.
Le contact avec 1e caisson (2) (ou me surface déterminée (107) du caisson) est
un
contact thermique, en ce sens qu'il permet de prélever de l'énergie thermique
du
caisson 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 la
surface extérieure du caisson, de différentes façons, telles que par
confinement à
proximité du caisson, par canalisation, par projection, ou une combinaison de
ces
moyens.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé de
refroidissement
d'une cellule d'électrolyse (1) destinée à la production d'aluminium par
électrolyse
ignée est caractérisé en ce que, en outre, on munit la cellule d'électrolyse
(1) d'au
moins un moyen (101), dénommé « moyen de confinement », pow former un espace
confiné (102) à proximité de (ou éventuellement en contact avec) une surface
déterminée (107) d'au moins Cule des parois (21, 22, 23) du caisson (2), de
préférence
au moins une des parois latérales (2I, 22) du caisson (2), et en ce qu'il
comprend la
production de gouttelettes d'un fluide caloporteur dans ledit espace (I02), de
manière
à mettre tout ou partie desdites gouttelettes en contact avec ladite surface
(107).
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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
partie
5 du caisson, ou en contact avec ce dernier, permet de limiter et de contrôler
la
diffusion desdites gouttelettes.
Les gouttelettes sont typiquement produites à une distance D déterminée d'une
des
parois (21, 22, 23) du caisson (2), c'est-à-dire que la (ou les) zones) de
production
10 du fluide caloporteur divisé se situent) à une distance D déterminée de
ladite paroi.
Le fluide caloporteur est alors acheminé, typiquement à l'état liquide,
jusqu'à ladite
distance D déterminée. Les gouttelettes sont de préférence formées à proximité
du
caisson de la cuve afin d'éviter la coalescence (ou l'agglomération) de celles-
ci avant
leur vaporisation au contact de ladite paroi, c'est-à-dire que la distance
déterminée
1 S est de préférence faible (de préférence inférieure à environ 20 cm, et de
préférence
encore inférieure à 10 cm). Lesdites zones de production sont typiquement
localisées
dans un ou des boîtiers de confinement (101).
Les gouttelettes peuvent être produites de manière continue ou discontinue. Le
taux
de production desdites gouttelettes peut être variable. Le procédé de
refroidissement
comprend avantageusement le contrôle du taux de production desdites
gouttelettes.
La proportion volumique de gouttelettes de fluide caloporteur peut alors être
variée
de manière contrôlée. Cette variante de l'invention permet de contrôler
finement
l'extraction de chaleur de la cellule.
Lesdites gouttelettes ont typiquement une taille comprise entre 0,1 et 5 mm,
et de
préférence comprise entre 1 et 5 mm. Des gouttelettes de taille inférieure à
0,1 rnm
environ présentent l'inconvénient d'être facilement entraînées par les
mouvements de
l'air ambiant, ou par l'éventuel flux d'évacuation des gouttelettes
vaporisées, avant
d'entrer en contact avec le caisson.
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Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, les gouttelettes
forment un
brouillard, de préférence un brouillard dense, afin de favoriser la
vaporisation des
gouttelettes et d'augmenter l'efficacité du refroidissement.
On produit avantageusement lesdites gouttelettes par pulvérisation dudit
fluide
caloporteur, typiquement à partir de la phase liquide. Cette pulvérisation
peut être
effectuée en utilisant au moins une buse.
Le fluide caloporteur est avantageusement de l'eau car cette substance possède
une
chaleur latente de vaporisation très élevée. Ladite eau est de préférence
purifiée, afin
de réduire sa conductivité électrique et de limiter les dépôts sur la paroi du
caisson
qui pourraient, à terme, réduire l'effcacitë du refroidissement. Cette
purification est
avantageusement 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 10
~.g par litre d'eau, et de préférence encore inférieure à 1 ~,g 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 à
l'aide d'au moins un boîtier (101). Ce boîtier est placé à une distance
déterminée de
la paroi du caisson. Ce mode de réalisation permet d'augmenter la probabilité
d'un
contact physique entre lesdites gouttelettes et la surface du caisson (et de
préférence
une surface déterminée (107) du caisson), et d'empêcher leur dispersion dans
l'espace environnant la cuve (20). Le boîtier de confinement (101) a
typiquement un
espace ou volume interne (102) déterminé, mais il est avantageusement ouvert,
typiquement du côté du caisson. Il est éventuellement possible de contrôler
individuellement de taux de formation des gouttelettes dans chaque boîtier de
confinement ( 101 ).
Le moyen de confinement (101) peut être accolé ou fixé au caisson (2) ou
solidaire
de celui-ci.
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Il est avantageux de placer ledit boîtier (101) de manière à ee qu'il
chevauche le
niveau moyen de l'interface (19) entre le bain d'électrolyte (13) et la nappe
de métal
liquide (12), c'est-à-dire de manière à se situer de part et d'autre du niveau
moyen de
ladite interface.
S
Le procédé de refroidissement selon l'invention peut comprendre, en outre, une
évacuation de tout ou partie de la vapeur de fluide ~ caloporteur formée par
la
vaporisation de tout ou partie desdites gouttelettes au contact du caisson (2)
(et en
particulier au contact de ladite surface déterminée (107)). Cette évacuation
peut être
effectuée par ventilation naturelle, par aspiration ou par soufflage, ou une
combinaison de~ ces moyens. La vapeur de fluide caloporteur est typiquement
évacuée de manière continue.
De préférence, le fluide caloporteur vaporisé est canalisé (typiquement par
aspiration
l' S ou soufflage) vers un lieu éloigné des cuves, qui peut se situer dans le
même hall ou
à l'extérieur de celui-ci, ,ou le.fluide caloporteur peut éventuellement être
refroidi, de
manière à condenser la vapeur de fluide caloporteur, et réintroduit dans le
circuit de
refroidissement.
De manière avantageuse, lorsque le procédé comprend une évacuation de la
vapeur
de fluide caloporteur, les gouttelettes sont mélangées à un gaz porteur afin
de
faciliter l'évacuation du fluide caloporteur vaporisé et de favoriser
l'évaporation des
éventuels condensats de fluide caloporteur. Le gaz porteur peut être ajouté
aux dites
gouttelettes. Le gaz porteur peut avantageusement être utilisé pour produire
les
2S gouttelettes de fluide caloporteur par pulvérisation. Dans ce but, le gaz
porteur peut
être acheminé sous forme comprimée. Le gaz porteur est typiquement de l'air,
mais il
est 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
circulation d'un fluide caloporteur, dans un circuit, ouvert ou fermé,
comportant
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- une première partie pour l'alimentation en fluide caloporteur, c'est-à-dire
pour la
fourniture et l'acheminement du fluide caloporteur, typiquement à l'état
liquide, vers
le 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 fluide
caloporteur divisé avec le caisson, de manière à provoquer sa vaporisation
totale ou
partielle ;
- une troisième partie pour l'évacuation du fluide caloporteur vaporisé.
En pratique, le fluide caloporteur évacué comprend typiquement de la vapeur et
quelques gouttelettes fines non-vaporisées. Il peut éventuellement contenir un
condensat liquide dudit fluide caloporteur récupéré à une certaine distance du
caisson.
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 parois
latérales (21, 22) et au moins une paroi de fond (23), ladite cuve (20) étant
destinée à
contenir un bain d'électrolyte (13) et une nappe de métal liquide (12), est
caractérisé
en ce qu'il comprend au moins un moyen (103) pour produire des gouttelettes
d'un
fluide caloporteur, typiquement à proximité du caisson (2) de la cellule (1),
et un
moyen (101) pour mettre tout ou partie desdites gouttelettes en contact avec
le
caisson (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 pax
électrolyse ignée est caractérisé en ce qu'il comprend en outre
- au moins un boîtier de confinement (101) à une distance déterminée d'au
moins une
des parois (2I, 22, 23) du caisson (2),
- des moyens d'alimentation (105, 111, 112, 113, 114) en un fluide
caloporteur,
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- au moins un moyen (103) pour produire des gouttelettes de fluide caloporteur
dans
ledit boîtier, de manière à mettre tout ou partie desdites gouttelettes en
contact avec
le 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
sont
placés avantageusement à une proximité de, ou en contact avec, au moins une
des
parois latérales (21, 22) dudit caisson (2). L'expression « à proximité »
signifie à une
distance déterminée typiquement inférieure à 20 cm, voire inférieure à 10 cm.
Les boîtiers de confnement (101) peuvent être accolés ou fixés au caisson (2)
ou
solidaire de celui-ci.
Chaque boîtier de confinement (101) forme un espace confiné (102)
correspondant
typiquement à un vohune interne déterminé. Le boîtier de confinement (101) est
avantageusement ouvert, typiquement du côté du caisson (2), de manière à
favoriser
Ies ëchanges thermiques entre le caisson et les gouttelettes. Le boîtier de
confinement
(101) peut éventuellement être ouvert, en particulier, dans sa partie
supérieure (lOla)
et/ou dans sa partie inférieure (1 Olb).
Ledit système comporte avantageusement une pluralité de boîtiers de conf
nement
(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
de
manière 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
typiquement
placé de manière sensiblement symétrique pax rapport au niveau moyen de
l'interface
(Ia hauteur Hl au-dessus du niveau moyen (19) et Ia hauteur H2 au-dessous du
niveau moyen (I9) sont alors sensiblement égales).
La profondeur moyenne P des boîtiers de confinement (I01) 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
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L des boîtiers de confinement (101) peut être inférieure ou égale à
l'espacement E
entre les raidisseurs (25) ; ils peuvent également s'intégrer aux, ou
intégrer, lesdits
raidisseurs. La surface déterminée (107) couverte par les boîtiers est
typiquement
comprise entre 0,2 et 1 m2, et plus typiquement comprise entre 0, 3 et 0,5 m2.
5
Le moyen (103) pour produire des gouttelettes est avantageusement un moyen de
pulvérisation. Ce moyen comporte typiquement au moins une buse, telle qu'une
buse
à brouillard.
IO Les boîtiers de confinement peuvent comprendre un ou plusieurs moyens (103)
pour
produire des gouttelettes.
Le décalage ~H 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 buse
15 peut se situer au-dessus ou au-dessous du niveau de l'interface ou au même
niveau
que ladite interface.
Les moyens d'alimentation (105, 111, 112, 113, 114) en un fluide caloporteur
comprennent typiquement des moyens d'acheminement (105, 111, 112, 114), tels
que des conduits, et une colonne de traitement (113). Les moyens
d'acheminement
comprennent typiquement un conduit de distribution (I11), un conduit isolant
électrique (112) et un conduit d'alimentation en fluide caloporteur (114).
Avantageusement, le système selon l'invention comprend en outre au moins un
2S moyen (104, 110), tel qu'un conduit, pour alimenter chaque boîtier de
confinement
(101) en gaz porteur, éventuellement sous pression. De préférence, il comporte
en
outre un moyen (108), tel qu'un mélangeur, pour produire lesdites gouttelettes
à
l'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.
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Le système de refroidissement selon l'invention comprend avantageusement des
moyens (106, 120, 121, 122, 123, 124) pour évacuer tout ou partie du fluide
caloporteur vaporisé au contact du caisson (2). Les moyens d' évacuation
permettent
d'évacuer la vapeur de fluide caloporteur formée par la vaporisation de tout
ou partie
desdites gouttelettes au contact de ladite surface (107).
Les moyens d'évacuation (106, 120, 121, 122, 123, 124), qui comprennent
typiquement des moyens de canalisation, sont aptes à ëvacuer tout ou partie de
la
vapeur de fluide caloporteur après évaporation ou vaporisation de tout ou
partie
desdites gouttelettes au contact du caisson (2). En particulier, lesdits
moyens
d'évacuation comprennent typiquement des conduits d'évacuation (106, 120, 121,
124) et un moyen d'aspiration ou de soufflage (123). Les conduits d'évacuation
incluent typiquement un conduit collecteur (120), un conduit isolant
électrique (121)
et un conduit de sortie (124). Le moyen d'aspiration ou de soufflage (123) est
typiquement un ventilateur. Ces moyens peuvent également comprendre un
condenseur (122) pour condenser les gouttelettes de fluide caloporteur en
suspension.
Cette condensation permet, notamment, de récupérer le fluide caloporteur et de
le
réintroduire dans le circuit de refroidissement. Le condenseur peut
avantageusement
comprendre des moyens de refroidissement du fluide caloporteur condensé afin
de
pouvoir 'le réintroduire dans le circuit de refroidissement à une température
déterminée, qui est généralement nettement plus faible que la température de
vaporisation. Il est avantageux de prévoir des moyens pour favoriser
l'écoulement et
l'évacuation des éventuels condensais de fluide caloporteur, tels qu'une pente
dans
certains conduits d'évacuation (notamment dans le conduit collecteur (120)).
Les
conduits d'évacuation peuvent comprendre un collecteur (106), qui peut être
placé
dans la partie supérieure (lOla) ou inférieure (lOlb) des boitiers.
La demanderesse estime' le nombre de boîtiers de confinement nécessaires pote
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 1251/h.
Elle estime aussi que la fraction des gouttelettes de fluide caloporteur
effectivement
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évaporée au contact du caisson se situe entre 20 et 60 %. La puissance
thermique
évacuée se situe typiquement entre 5 et 25 kW/m2. La demanderesse, estime
également que, si un gaz porteur est utilisé, le débit de gaz porteur par
boîtier
avantageusement est typiquement compris entre 25 Nm3/h et 150 Nm3/h.
Liste des repères numériques
1 Cellule d'lectrolyse
2 Caisson
3 Revtement intrieur ltral
4 Rvtement intrieur de la sole
5 Elment cathodique
6 Barre de raccordement ou barre cathodique
7 Anode '
~ Moyen de support d'ne anode (typiquement
un multipode)
9 Moyen de supprt et de fixation d'wne anode
(tige)
10 Cdre anodique
11 Moyen d' alimentation en alumine
~
12 Nappe de mtal liquide
I3 Bain d'lectrolyte
14 Cuverture (ou crote) d'alumine .
15 Couche d 'bain solidifi
16 Cnducteur de liaison (monte)
17 Conducteur de liaison (collecteur) -
1$ Conducteur de liaison . w
19 Interface entre la nappe de mtal liquide
et le bain d'lectrolyte
20 Cuve
21 Paroi latrale du cisson
22 Paroi latrale d'extrmit du caisson
23 Paroi de fond du caisson
25 Raidisseur de caisson '~
100 Systme de refroidissement
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101 Boitier de confinément
101 a Partie supérieure du boîtier de confinement
101b Partie inférieure du boîtier de confinement
102 Espace confiné
103 Moyen pour produire des gouttelettes de fluide caloporteur
104-. Conduit
105 Conduit
106 Collecteur
107 Surface de refroidissement
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
113 Colonne de traitement
114 Conduit d'alimentation en fluide caloporteur
120 Conduit collecteur
121 Conduit isolant
122 Condenseur
123 Moyen d'aspiration ou de soufflage
124 Conduit de sortie
