ЭЛЕКТРОЛИЗЕР, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ
ELECTROLYSER, IN PARTICULAR, FOR OBTAINING ALUMINIUM

Настоящее изобретение относится к электролизеру и, в частности, электролизеру для получения алюминия.
3
6
Электролиз применяют, например, для электролитического получения алюминия, которое обычно осуществляют в промышленном масштабе по технологии Холла-Эру. В процессе Холла-Эру подвергают электролизу смесь или расплав, состоящие из криолита и оксида алюминия, который растворен в криолите. Криолит, Na[AlF], служит для снижения температуры ликвидуса оксида алюминия, т.е. температуры, при которой оксид алюминия плавится или растворяется, от температуры плавления 2045°C для чистого оксида алюминия до 950°C для смеси криолита, оксида алюминия и фторида кальция.
Электролизер, применяемый в этом процессе, включает в себя катодную подину, которая состоит из многочисленных катодных блоков, которые располагаются примыкающими друг к другу и образуют катод. Для того чтобы быть в состоянии выдерживать термические и химические условия, которые присутствуют во время процесса электролиза, катод обычно состоит из углеродсодержащего материала. На нижних сторонах катодных блоков обычно имеются пазы, при этом в каждом из этих пазов размещается по меньшей мере один токоотводящий стержень для отведения тока, который подводится анодами. К тому же, электролизер включает в себя по меньшей мере один токоподвод (впоследствии также называемый "стояком"), который простирается по меньшей мере частично в вертикальном направлении, который электрически соединен с анодом и который подает электрический ток к аноду. Анод, который может состоять из многочисленных анодных блоков, размещен в примерно 3-5 см выше слоя алюминия, который размещен на верхней стороне катодных блоков и составляет обычно 15-50 см по высоте.
Электролит, т.е. оксид алюминия и криолит-содержащий слой расплава, расположен между анодом и верхней поверхностью алюминия. Алюминий оседает - из-за его более высокой плотности по сравнению с плотностью электролита - ниже слоя электролита, т.е. как промежуточный слой между верхней стороной катодных блоков и слоем электролита, во время операции электролиза, которую осуществляют при температуре около 1000°C. В то же время, оксид алюминия, который растворен в расплаве, разделяется под действием электрического тока на алюминий и кислород, который затем реагирует с углеродом анода до диоксида углерода. В электрохимическом смысле, слой жидкого алюминия представляет собой реальный катод, поскольку ионы алюминия восстанавливаются до элементарного алюминия на его верхней поверхности. Тем не менее, термин катод используется далее для обозначения не катода в электрохимическом смысле, т.е. слоя жидкого алюминия, а конструктивного элемента, который образует дно электролизера и который состоит из многочисленных катодных блоков.
Надежность, срок службы и энергоэффективность известных электролизеров страдают от неблагоприятных тепловых и химических условий, которые имеют место в электролизере во время операции электролиза. Это ведет к необходимости частых замен компонентов футеровки электролизера или преждевременному выходу из строя и отключению всего электролизера.
Одной из главных причин для сниженного срока службы известных электролизеров является износ верхних поверхностей катодных блоков во время электролиза, т.е. удаление материала катодного блока из верхних поверхностей катодных блоков. Этот износ проявляется в электрохимической коррозии и/или в механическом истирании катодных блоков. Механическое истирание вызывается турбулентностью (завихрениями) в слое жидкого алюминия. Эти завихрения вызываются, главным образом, полем сил Лоренца в слое жидкого алюминия, которое получается в результате протекания тока через слой жидкого алюминия, и наведенными в нем электрическими и магнитными полями. К тому же, электрохимическая коррозия вызывается химической реакцией углеродистого материала катодного блока с жидким алюминием, которая, например, ведет к образованию карбида алюминия во время электролиза.
Кроме того, технологические условия в известных электролизерах являются неоднородными по поверхности катода во время электролиза. Напротив, во время электролиза на поверхности катода имеются неоднородные условия износа, т.е. электрохимически коррозийные и/или механически абразивные условия, ведущие к неоднородному профилю износа катода. Это значит, что скорость износа катодного материала выше в определенных областях катодной поверхности по сравнению с другими областями, при этом избыточный износ в отдельных областях ведет к созданию локализованных слабых мест в катодных блоках. Такие слабые места могут вести к миграции алюминия или электролита к токоотводящим стержням. Это может вызвать нежелательную реакцию алюминия с токоотводящими стержнями, которая может повредить или разрушить электрическое соединение с катодом и ведет к необходимости преждевременно прекратить электролиз после сравнительно короткого времени.
Кроме того, неоднородные технологические условия во время электролиза ведут к неравномерному распределению плотности электрического тока по верхней поверхности катода. Это неравномерное распределение электрического тока не только вносит вклад в сравнительно короткий срок службы и плохую надежность известных катодов и катодных блоков соответственно, но и является также основной причиной плохой энергоэффективности известных катодов и катодных блоков соответственно.
Более того, неравномерные условия процесса электролиза в известных электролизерах ведут к неравномерному тепловыделению в катоде электролизера, а значит, и неравномерному температурному профилю в катоде. Этот неравномерный температурный профиль обусловлен происходящим в определенных областях катода избыточным выделением тепла, ведущим к избыточному тепловому напряжению в этих областях катода, что снижает срок службы катода и, таким образом, срок службы всего электролизера.
Вышеупомянутые эффекты являются особенно значительными в электролизерах высокой амперной нагрузки.
В качестве дополнительного осложнения этой проблемы, три вышеуказанных явления в известных электролизерах, а именно неравномерный профиль износа, неравномерный температурный профиль и неравномерная плотность электрического тока по всему катоду во время электролиза, взаимосвязаны. Например, неравномерная плотность электрического тока по всей поверхности катода способствует неравномерному выделению тепла в катоде, в также неравномерному механическому истиранию и электрохимической коррозии катодной поверхности. В частности, степень турбулентности в слое жидкого алюминия, которая, как описано выше, главным образом ответственна за механическое истирание катодной поверхности, зависит от поля сил Лоренца, а значит, сильно зависит от плотности электрического тока в соответственной области катодной поверхности.
Уже были сделаны попытки модифицировать и особенно обеспечить однородность плотности электрического тока по всей площади катодной поверхности, например, путем варьирования удельного электросопротивления от концов к центру катодных блоков. Однако эти попытки не привели к полностью удовлетворительным результатам.
В частности, известные усилия по повышению срока службы и энергоэффективности электролизера проигнорировали влияние токоподводов на профиль износа, температурный профиль и плотность электрического тока, в частности, на те части катода, которые расположены близко к токоподводу. А именно высокие плотности тока, текущего через токоподводы, индуцируют сильные магнитные и электрические поля в тех областях катода и слоя жидкого алюминия над катодной поверхностью, которые находятся рядом с токоподводом, которые значительно влияют на профиль поля сил Лоренца в катоде и в слое жидкого алюминия и поэтому имеют преобладающее влияние на степень турбулентности в слое жидкого алюминия и получающийся профиль износа катодной поверхности. Подобным же образом, магнитное и электрическое поле, индуцированное плотностью электрического тока, значительно влияет на профиль износа и температурный профиль катода. Поскольку конфигурации и относительные расположения токоподводов значительно меняются при различных конструкциях и вариантах реализации электролизеров, обеспечение однородности профиля износа, температурного профиля и плотности электрического тока катода невозможно без учитывания конкретной конструкции электролизера.
Ввиду вышеизложенного, задачей, лежащей в основе настоящего изобретения, состоит в том, чтобы предложить электролизер, который особенно пригоден для работы под высокой амперной нагрузкой, который имеет повышенную энергоэффективность, улучшенный срок службы, повышенную стабильность, а также улучшенную надежность. Более того, электролизер и, в частности, его катод должен быть изготавливаемым и устанавливаемым легко, быстро и экономично.
В соответствии с настоящим изобретением эта задача решается за счет предложения электролизера, в частности, для получения алюминия, который включает в себя катод, слой жидкого алюминия, расположенный на верхней стороне катода, слой расплава на нем и анод на верху слоя расплава, при этом катод состоит из по меньшей мере двух катодных блоков, при этом по меньшей мере один из этих по меньшей мере двух катодных блоков отличается от по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов) в отношении по меньшей мере одного из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности.
Согласно настоящему изобретению катод электролизера включает в себя по меньшей мере два катодных блока, которые отличаются друг от друга касательно по меньшей мере одного из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности. Это позволяет по меньшей мере частично «гомогенизировать» профиль износа, который формируется во время электролиза, по поверхности катода путем обеспечения равномерности скорости механического истирания, плотности электрического тока и/или температурного профиля по поверхности катода путем просто расположения вместе разных катодных блоков с надлежащими свойствами. Например, чтобы обеспечить однородность профиля износа по поверхности катода, катодные блоки, имеющие более высокую среднюю прочность при сжатии, можно располагать на тех частях катода, на которых во время электролиза имеет место больший износ, тогда как на других частях катода, на которых во время электролиза имеет место меньший износ, располагают катодные блоки, имеющие более низкую среднюю прочность при сжатии. С этой же целью, катодные блоки, имеющие более высокую кажущуюся плотность, могут располагаться на тех частях катода, на которых во время электролиза может иметь место больший износ, тогда как на других частях катода, на которых во время электролиза имеет место меньший износ, располагают катодные блоки, имеющие более низкую кажущуюся плотность. Подобным образом, плотность электрического тока, которая образуется во время электролиза на катоде электролизера, может быть сделана однородной путем соответствующей сборки катода из катодных блоков, имеющих более высокое среднее удельное электросопротивление, и катодных блоков, имеющих более низкое среднее удельное электросопротивление, а также температурному профилю катода, который образуется во время электролиза в катоде электролизера, может быть придана однородность путем соответствующей сборки катода из катодных блоков, имеющих более высокую среднюю теплопроводность, и из катодных блоков, имеющих более низкую среднюю теплопроводность. Таким образом, энергоэффективность, срок службы, стабильность, а также надежность, в частности, катода и вообще электролизера улучшаются простым, быстрым и экономически эффективным образом посредством модульной системы катодных блоков. В частности, индивидуально приспособленный к электролизеру катод может быть собран из ограниченного числа предварительно изготовленных катодных блоков различных типов во время установки электролизера, без необходимости в каком-либо предварительном изготовлении на заказ катодных блоков. Напротив, в настоящем изобретении намеренно используется простая и экономичная система модульной конструкции.
Вышеупомянутые эффекты достигаются, даже если упомянутые по меньшей мере два разных катодных блока отличаются друг от друга только в одном из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности. Однако особенно хорошие результаты получаются, если упомянутые по меньшей мере два разных катодных блока отличаются друг от друга по меньшей мере двумя, более предпочтительно по меньшей мере тремя, а наиболее предпочтительно всеми четырьмя из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности.
Согласно настоящему изобретению каждый катодный блок является однородным по его составу и свойствам материала, т.е. каждый катодный блок имеет в каждом месте одинаковый состав и одинаковые свойства материала. Термин "одинаковый" следует понимать, конечно же, с учетом обычных небольших производственных допусков, т.е. возможны небольшие вариации по составу и свойствам материала. Конкретней, согласно настоящему изобретению катодный блок, являющийся однородным по его прочности при сжатии, означает, что вариация прочности при сжатии в разных местах катодного блока составляет менее чем 15%, предпочтительно менее чем 12%, более предпочтительно менее чем 8%, а еще более предпочтительно менее чем 4%. Более того, согласно настоящему изобретению катодный блок является однородным по его теплопроводности, если вариация теплопроводности в разных местах катодного блока составляет менее чем 10%, предпочтительно менее чем 8%, более предпочтительно менее чем 5%, а еще более предпочтительно менее чем 3%, катодный блок является однородным по его удельному электросопротивлению, если вариация удельного электросопротивления в разных местах катодного блока составляет менее чем 12%, предпочтительно менее чем 9%, более предпочтительно менее чем 6%, а еще более предпочтительно менее чем 4%, катодный блок является однородным по его кажущейся плотности, если вариация кажущейся плотности в разных местах катодного блока составляет менее чем 1,5%, предпочтительно менее чем 1,2%, более предпочтительно менее чем 0,8%, а еще более предпочтительно менее чем 0,4%, и катодный блок является однородным по его открытой пористости, если вариация открытой пористости в разных местах катодного блока составляет менее чем 10%, предпочтительно менее чем 8%, более предпочтительно менее чем 6%, а еще более предпочтительно менее чем 4%. Согласно настоящему изобретению термин «вариация» означает стандартное отклонение среднего значения соответствующего параметра, причем среднее значение определяется по 5 образцам катодного блока, как описано ниже.
Кроме того, в объеме настоящего изобретения прочность при сжатии катодного блока определяется в соответствии с ISO18515. Как указано выше, каждый катодный блок катода электролизера по настоящему изобретению является - с учетом незначительных производственных допусков - однородным по его составу и свойствам материала и, таким образом, однородным по его прочности при сжатии по всем его измерениям, т.е. каждый катодный блок имеет лишь минимальные вариации по его составу и свойствам материала. Для того чтобы учесть даже эти минимальные вариации в результате производственных допусков, здесь указана средняя прочность при сжатии, которая определяется путем измерения прочности при сжатии в соответствии с ISO18515 в 5 разных местах катодного блока, причем эти 5 разных мест равномерно распределены по нижней поверхности катодного блока, и затем вычислением среднего арифметического из 5 полученных значений. Точнее говоря, для того чтобы определить среднюю прочность при сжатии необработанного катодного блока, т.е. катодного блока, в котором паз или пазы соответственно еще не сформированы, отбирают 5 образцов с диаметром 3 см и длиной 3 см из области необработанного катодного блока, в которой потом сформируют паз(ы). В случае, при котором в нижней части катодного блока следует сформировать один паз, пять образцов отбирают - в направлении длины катодного блока - на равных расстояниях, т.е., например, в катодном блоке, имеющем длину 3 м, пять образцов отбирают с расстоянием 0,5 м между двумя соседними образцами и с расстоянием между концом катодного блока и соседним образцом, - в направлении ширины катодного блока - в середине формируемого потом паза и - в направлении высоты катодного блока - в перпендикулярном направлении. В случае, при котором два паза должны быть сформированы в нижней части катодного блока, отбирают два образца в области, где должен быть сформирован один из пазов, и три образца отбирают в области, где должен быть сформирован другой паз, при этом все эти образцы удовлетворяют вышеупомянутым критериям, т.е. они имеют диаметр 3 см и длину 3 см, и их отбирают - в направлении длины катодного блока - на равных расстояниях, - в направлении ширины катодного блока, - в центре формируемых потом пазов и - в направлении высоты катодного блока - в перпендикулярном направлении. С другой стороны, для того чтобы определить среднюю прочность при сжатии готового катодного блока, т.е. катодного блока, в котором паз или пазы соответственно уже сформированы, отбирают 5 образцов, имеющих диаметр 3 см и длину 3 см, из верхней поверхности паза(ов) в перпендикулярном направлении внутри катодного блока, при этом образцы отбирают - в направлении длины катодного блока - на равных расстояниях и - в направлении ширины катодного блока - в середине паза(ов).
Подобным образом, согласно настоящему изобретению, средняя теплопроводность катодного блока определяется путем измерения теплопроводности при температуре 30°C в соответствии с ISO 12987 в 5 разных местах катодного блока, причем эти 5 разных мест расположены и равномерно распределены по поверхности катодного блока, как изложено выше в отношении определения средней прочности при сжатии, и затем вычисления среднего арифметического из 5 полученных значений.
Подобным образом, в соответствии с настоящим изобретением среднее удельное электросопротивление катодного блока определяют путем измерения удельного электросопротивления в соответствии с ISO 11713 в 5 разных местах катодного блока, причем эти 5 разных мест расположены и равномерно распределяются по поверхности катодного блока, как изложено выше в отношении определения средней прочности при сжатии, за исключением того, что длина образцов составляет 11 см каждый, и затем вычисления среднего арифметического из 5 полученных значений.
Кроме того, согласно настоящему изобретению кажущаяся плотность катодного блока измеряется в соответствии с ISO 12985-1 в 5 разных местах катодного блока, причем эти 5 разных мест расположены и однородно распределены по поверхности катодного блока, как изложено выше в отношении определения средней прочности при сжатии, за исключением того, что длина образцов составляет 11 см каждый, и затем вычисления среднего арифметического из 5 полученных значений.
Согласно частному предпочтительному варианту настоящей патентной заявки электролизер дополнительно включает в себя по меньшей мере один токоподвод, причем этот по меньшей мере один токоподвод простирается по меньшей мере частично в вертикальном направлении и электрически соединен с анодом, и при этом упомянутый по меньшей мере один из по меньшей мере двух катодных боков, отличающихся от по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блоков, размещен ближе к по меньшей мере одному из упомянутого по меньшей мере одного токоподвода, чем упомянутый по меньшей мере один (из) другой(их) катодный(ых) блок(ов). В этом частном предпочтительном варианте влияние токоподводов на профиль износа, температурный профиль и плотность электрического тока катода может быть компенсировано. Как изложено выше, высокие электрические токи, протекающие через токоподводы, индуцируют сильные магнитные и электрические поля в тех областях катода и слоя жидкого алюминия над катодной поверхностью, которые находятся рядом с токоподводом, которые значительно влияют на профиль поля сил Лоренца в катоде и в слое жидкого алюминия и поэтому имеют преобладающее влияние на степень турбулентности в слое жидкого алюминия и получающийся профиль износа катодной поверхности. Подобным образом, магнитные и электрические поля, индуцированные электрическим током, значительно влияют на плотность электрического тока и температурный профиль катода. Также, в этом варианте предпочтительно то, что по меньшей мере два разных катодных блока отличаются друг от друга по меньшей мере двумя, более предпочтительно по меньшей мере тремя, а наиболее предпочтительно всеми четырьмя из средней прочности при растяжении, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности.
Настоящее изобретение особенно не ограничивается по числу катодных блоков на катод. Обычно, катод электролизера будет состоять из 2-60 катодных блоков. Более предпочтительно, электролизер включает в себя 5-40, особенно предпочтительно 10-30, еще более предпочтительно 15-25, а наиболее предпочтительно примерно 20 катодных блоков.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения катод включает в себя 2 или более, предпочтительно 2-10, более предпочтительно 2-6, а еще более предпочтительно 2-4 разных типа(ов) катодных блоков, при этом катодные блоки каждого типа отличаются от катодных блоков другого типа в отношении по меньшей мере одного, предпочтительно по меньшей мере двух, более предпочтительно по меньшей мере трех, а наиболее предпочтительно всех четырех из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20% и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, тогда как все из катодных блоков одного типа отличаются друг от друга в отношении средней прочности при сжатии менее чем на 15%, средней теплопроводности менее чем на 10%, среднего удельного электросопротивления менее чем на 12% и кажущейся плотности менее чем на 1,5%, т.е. являются идентичными или по меньшей мере по существу идентичными друг другу. От каждого из этих разных типов катодных блоков один или более катодных блоков могут быть обеспечены в катоде электролизера. Например, катод может включать в себя один катодный блок согласно первому типу, два катодных блока согласно второму типу, четыре катодных блока согласно третьему типу и тринадцать катодных блоков согласно четвертому типу. Число различных типов катодных блоков, используемых в катоде, в определенной степени влияет на то, насколько хорошо обеспечена однородность профиля износа, температурного профиля и/или плотности электрического тока во время электролиза. Тем не менее, в настоящем изобретении было найдено, что относительно умеренное число разных типов катодных блоков, такое как три или четыре разных типа катодных блоков, является достаточным, чтобы эффективно и достаточно обеспечить однородность по меньшей мере одного из профиля износа, температурного профиля и плотности электрического тока по всей поверхности катода, для того чтобы улучшить надежность, срок службы и, особенно, энергоэффективность электролизера. Предпочтительно, катодные блоки каждого типа отличаются от катодных блоков любого другого типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 35%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 50%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 30% и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 4%. Более предпочтительно, катодные блоки каждого типа отличаются от катодных блоков любого другого типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 50%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 100%, iii) среднего электросопротивления на по меньшей мере 50% и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 6%, а наиболее предпочтительно катодные блоки каждого типа отличаются от катодных блоков любого другого типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 100% и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 8%.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения катод включает в себя три разных типа катодных блоков, при этом катодные блоки каждого типа отличаются от катодных блоков других двух типов в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20% предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. К тому же, предпочтительно то, что катодные блоки каждого типа являются идентичными или по меньшей мере по существу идентичными друг другу, т.е. что они отличаются друг от друга в отношении средней прочности при сжатии менее чем на 15%, предпочтительно менее чем 12%, более предпочтительно менее чем 8%, а еще более предпочтительно менее чем 4%, в отношении средней теплопроводности менее чем на 10%, предпочтительно менее чем 8%, более предпочтительно менее чем 5%, а еще более предпочтительно менее чем 3%, в отношении среднего удельного электросопротивления менее чем на 12%, предпочтительно менее чем 9%, более предпочтительно менее чем 6%, а еще более предпочтительно менее чем 4%, и в отношении кажущейся плотности менее чем на 1,5%, предпочтительно менее чем 1,2%, более предпочтительно менее чем 0,8%, а еще более предпочтительно менее чем 0,4%. Этот вариант воплощения сочетает эффективное обеспечение однородности соответствующих профиля износа, температурного профиля и/или плотности электрического тока во время электролиза, наряду с тем, что необходимо минимальное усилие по изготовлению и установке.
Для того чтобы особенно эффективно компенсировать влияние упомянутого по меньшей мере одного токоподвода электролизера на неоднородность по меньшей мере одного из профиля износа, температурного профиля и плотности электрического тока катода, предпочтительным является то, что электролизер включает в себя по меньшей мере один катодный блок первого типа, который размещен ближе всего к одному из упомянутого по меньшей мере одного токоподвода и который позиционирован между двумя катодными блоками второго типа, который отличается от первого типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. Разницу в отношении средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного сопротивления и/или кажущейся плотности определяют в этом варианте воплощения и во всех прочих вариантах, упомянутых выше и ниже, основываясь на наименьшем из соответствующих значений у катодных блоков. В этом описании два катодных блока называются примыкающими друг к другу, если они расположены так, что они непосредственно соприкасаются друг с другом, или если они связаны друг с другом через набивную подовую массу, футеровочный материал или тому подобное, что размещают между этими двумя катодными блоками. В этом варианте воплощения, предпочтительно, каждый из двух катодных блоков второго типа расположен примыкающим к катодному блоку третьего типа, а именно на стороне катодного блока второго типа, которая противоположна той, которая примыкает к катодному блоку первого типа, при этом третий тип отличается от первого и второго типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. Конечно, как изложено выше, также первый и второй типы катодных блоков отличаются друг от друга по меньшей мере одним из вышеупомянутых свойств на по меньшей мере одну из вышеупомянутых величин. Если электролизер включает в себя два, три или даже более стояков, то предпочтительно, что электролизер включает в себя два, три или даже более катодных блоков первого типа, при этом каждый из них размещают ближе всего к одному из токоподводов и позиционируют между двумя катодными блоками второго типа, которые, опять же предпочтительно, примыкают к катодному блоку третьего типа. Катодные блоки каждого типа являются идентичными или по меньшей мере по существу идентичными друг другу, т.е. что они отличаются друг от друга в отношении средней прочности при сжатии на менее чем 15%, предпочтительно менее чем 12%, более предпочтительно, менее чем 8%, а еще более предпочтительно менее чем 4%, в отношении средней теплопроводности на менее чем 10%, предпочтительно менее чем 8%, более предпочтительно менее чем 5%, а еще более предпочтительно менее чем 3%, в отношении среднего удельного электросопротивления на менее чем 12%, предпочтительно менее чем 9%, более предпочтительно менее чем 6%, а еще более предпочтительно менее чем 4%, и в отношении кажущейся плотности на менее чем 1,5%, предпочтительно менее чем 1,2%, более предпочтительно менее чем 0,8%, а еще более предпочтительно менее чем 0,4%.
В вышеупомянутом варианте воплощения каждый из вышеупомянутых катодных блоков третьего типа может примыкать на своей другой стороне, т.е. на стороне катодного блока третьего типа, которая противоположна той, которая примыкает к катодному блоку второго типа, к катодному блоку четвертого типа, при этом четвертый тип отличается от первого, второго и третьего типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. Конечно, как изложено выше, также первый, второй и третий типы катодных блоков отличаются друг от друга по меньшей мере одним из вышеупомянутых свойств на по меньшей мере одну из вышеупомянутых величин. Это значит, каждый из типов катодных блоков отличается от каждого другого типа катодных блоков по меньшей мере одним из вышеупомянутых свойств на по меньшей мере одну из упомянутых величин.
Согласно альтернативному варианту воплощения настоящего изобретения электролизер включает в себя по меньшей мере один катодный блок первого типа, который размещен ближе всего к по меньшей мере одному из токоподводов и который расположен примыкающим на одной из своих сторон к катодному блоку второго типа, который отличается от первого типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%, и который расположен примыкающим на другой своей стороне к катодному блоку третьего типа, который отличается от первого и второго типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. В этом случае катодный блок второго типа может быть соединен на своей стороне, противоположной примыкающей к катодному блоку первого типа стороне, с катодным блоком четвертого типа, который отличается от первого, второго и третьего типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. Подобным образом, катодный блок третьего типа может располагаться на своей стороне, противоположной примыкающей к катодному блоку первого типа стороне, к катодному блоку, который может быть четвертого типа или, альтернативно, пятого типа, который отличается от первого-четвертого типов в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. Как изложено выше, каждый из типов катодных блоков отличается от каждого другого типа катодных блоков по меньшей мере одним из вышеупомянутых свойств на по меньшей мере одну из вышеупомянутых величин.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения электролизер включает в себя по меньшей мере два катодных блока первого типа, которые расположены примыкающими друг к другу, по меньшей мере один из которых размещен ближе всего к по меньшей мере одному из упомянутого по меньшей мере одного токоподвода, и которые располагают каждый примыкающим к катодному блоку второго типа, который отличается от первого типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. В этом варианте воплощения, предпочтительно, каждый из упомянутых по меньшей мере двух катодных блоков второго типа расположен примыкающим к катодному блоку третьего типа, при этом третий тип отличается от первого и второго типа в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. Как изложено выше, каждый из типов катодных блоков отличается от каждого другого типа катодных блоков по меньшей мере одним из вышеупомянутых свойств на по меньшей мере одну из вышеупомянутых величин. Опять же, катодные блоки каждого типа идентичны или по меньшей мере по существу идентичны друг другу, т.е. что они отличаются друг от друга в отношении средней прочности при сжатии на менее чем 15%, предпочтительно менее чем 12%, более предпочтительно, менее чем 8%, а еще более предпочтительно менее чем 4%, в отношении средней теплопроводности на менее чем 10%, предпочтительно менее чем 8%, более предпочтительно менее чем 5%, а еще более предпочтительно менее чем 3%, в отношении среднего удельного электросопротивления на менее чем 12%, предпочтительно менее чем 9%, более предпочтительно менее чем 6%, а еще более предпочтительно менее чем 4%, и в отношении кажущейся плотности на менее чем 1,5%, предпочтительно менее чем 1,2%, более предпочтительно менее чем 0,8%, а еще более предпочтительно менее чем 0,4%.
В альтернативном варианте воплощения настоящего изобретения электролизер включает в себя по меньшей мере два катодных блока первого типа, которые расположены примыкающими друг к другу и по меньшей мере один из которых размещен ближе всего к по меньшей мере одному из упомянутого по меньшей мере одного токоподвода, при этом один из катодных блоков первого типа расположен примыкающим на своей стороне, противоположной примыкающей к другому катодному блоку первого типа стороне, к катодному блоку второго типа, тогда как другой из упомянутых по меньшей мере двух катодных блоков расположен примыкающим на своей стороне, противоположной примыкающей к другому катодному блоку первого типа стороне, к катодному блоку третьего типа, при этом все из первого, второго и третьего типов отличаются друг от друга в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. В этом варианте воплощения катодный блок второго типа может примыкать на своей стороне, противоположной примыкающей к катодному блоку первого типа стороне, к катодному блоку четвертого типа, а катодный блок третьего типа может примыкать на своей стороне, противоположной примыкающей к другому катодному блоку первого типа стороне, к катодному блоку либо четвертого типа, либо пятого типа, при этом все из первого-пятого типов отличаются друг от друга в отношении по меньшей мере одного из i) средней прочности при сжатии на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, ii) средней теплопроводности на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200%, iii) среднего удельного электросопротивления на по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100%, и iv) кажущейся плотности на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8%. Также, в этом варианте воплощения катодные блоки каждого типа идентичны или по меньшей мере по существу идентичны друг другу, т.е. они отличаются друг от друга в отношении средней прочности при сжатии на менее чем 15%, предпочтительно менее чем 12%, более предпочтительно менее чем 8%, а еще более предпочтительно менее чем 4%, в отношении средней теплопроводности на менее чем 10%, предпочтительно менее чем 8%, более предпочтительно менее чем 5%, а еще более предпочтительно менее чем 3%, в отношении среднего удельного электросопротивления на менее чем 12%, предпочтительно менее чем 9%, более предпочтительно менее чем 6%, а еще более предпочтительно менее чем 4%, и в отношении кажущейся плотности на менее чем 1,5%, предпочтительно менее чем 1,2%, более предпочтительно менее чем 0,8%, а еще более предпочтительно менее чем 0,4%.
Согласно первому особенно предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения по меньшей мере один, а предпочтительно каждый из катодных блоков катода имеет среднюю прочность при сжатии между 15 и 70 МПа, предпочтительно между 20 и 60 МПа, а более предпочтительно между 25 и 55 МПа. Прочность при сжатии катодного блока непосредственно коррелирует с гидроабразивным износом, который появляется всякий раз, когда в системе присутствует содержащая твердые вещества движущаяся жидкость. Таким образом, чем выше высокая средняя прочность при сжатии катодного блока, тем ниже механическое истирание катодного блока во время электролиза.
Особенно хорошие результаты касательно обеспечения однородности профиля износа по всему катоду электролизера получены в этом варианте воплощения, когда разница между средней прочностью при сжатии упомянутого по меньшей мере одного катодного блока, отличающегося от по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов), и средней прочностью при сжатии упомянутого по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов) составляет по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70% наименьшей из этих средних прочностей при сжатии.
В вышеупомянутом варианте воплощения особенно предпочтительным является то, что упомянутый по меньшей мере один из по меньшей мере двух катодных блоков, отличающийся от по меньшей мере одного (из) другого(их) блока(ов), размещают ближе к по меньшей мере одному из упомянутого по меньшей мере одного токоподвода, чем по меньшей мере один (из) другой(их) катодный(х) блок(ов). Как правило, катодный блок, который размещают ближе к упомянутому по меньшей мере одному токоподводу, может иметь или более высокую среднюю прочность при сжатии, или более низкую среднюю прочность при сжатии, чем другой один из упомянутых по меньшей мере двух катодных блоков. Является ли более выгодным близкий к упомянутому по меньшей мере одному токоподводу катодный блок с более высокой или более низкой средней прочностью при сжатии, зависит от управления тепловым режимом всего электролизера в целом. Например, идеальное позиционирование катодных блоков с более высокой средней прочностью при сжатии и с более низкой средней прочностью при сжатии относительно упомянутого по меньшей мере одного токоподвода зависит от того, рассчитана ли конструкция электролизера в первую очередь на отвод тепла от катода через дно катода электролизера или же на отвод тепла через боковые стенки, окружающие катод электролизера.
В вышеупомянутом варианте воплощения предпочтительно, чтобы катод включал в себя по меньшей мере 3 разных типа катодных блоков, при этом средние прочности при сжатии всех катодных блоков одного типа отличаются друг от друга на менее чем 15%, предпочтительно менее чем 12%, более предпочтительно менее чем 8%, а еще более предпочтительно менее чем 4%, и средние прочности при сжатии всех катодных блоков одного типа отличаются от средних прочностей при сжатии всех катодных блоков всех других типов на по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 70% наименьшей из этих средних прочностей при сжатии.
В соответствии со вторым особенно предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения предлагается, что по меньшей мере один, а предпочтительно каждый из катодных блоков имеет теплопроводность между 10 и 170 Вт/м⋅К и, в частности, между 30 и 130 Вт/м⋅К, особенно когда катод включает в себя и графитовые и графитированные катодные блоки, или между 70 и 130 Вт/м⋅К, особенно когда катод включает в себя только графитированные катодные блоки.
Особенно хорошие результаты касательно обеспечения однородности температурного профиля во время электролиза по всему катоду электролизера получены в этом варианте воплощения, когда разница между средней теплопроводностью упомянутого по меньшей мере одного катодного блока, отличающегося от по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов), и средней теплопроводностью упомянутого по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов) составляет по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 100%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 200% наименьшей из этих теплопроводностей.
Также в этом варианте воплощения предпочтительно, чтобы упомянутый по меньшей мере один из по меньшей мере двух катодных блоков, отличающийся от по меньшей мере одного другого (из) катодного(ых) блока(ов), размещался ближе к по меньшей мере одному из упомянутого по меньшей мере одного токоподвода, чем упомянутый по меньшей мере один (из) другой(их) катодный(ых) блок(ов). Как правило, катодный блок, который размещен ближе к упомянутому по меньшей мере одному токоподводу, может иметь или более высокую теплопроводность, или более низкую теплопроводность, чем другой один из упомянутых по меньшей мере двух катодных блоков. Является ли более выгодным близкий к упомянутому по меньшей мере одному токоподводу катодный блок с более высокой или более низкой теплопроводностью, зависит от управления тепловым режимом всего электролизера в целом. Например, идеальное позиционирование катодных блоков с более высокой теплопроводностью и с более низкой теплопроводностью относительно упомянутого по меньшей мере одного токоподвода зависит от того, рассчитана ли конструкция электролизера в первую очередь на отвод тепла от катода через дно катода электролизера или же на отвод тепла через боковые стенки, окружающие катод электролизера.
В вышеупомянутом варианте воплощения предпочтительно, чтобы катод включал в себя по меньшей мере 3 разных типа катодных блоков, при этом средние теплопроводности всех катодных блоков одного типа отличаются друг от друга на менее чем 10%, предпочтительно менее чем 8%, более предпочтительно менее чем 5%, а еще более предпочтительно менее чем 3%.
Согласно третьему особенно предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения по меньшей мере один, а предпочтительно каждый из катодных блоков имеет среднее удельное электросопротивление между 7 и 40 Ом⋅мкм, а предпочтительно между 8,5 и 21 Ом⋅мкм, в частности, когда катод включает в себя и графитовые, и графитированные катодные блоки, или между 8,5 и 14 Ом⋅мкм, в частности, когда катод включает в себя только графитированные катодные блоки.
Особенно хорошие результаты касательно обеспечения однородности плотности электрического тока во время электролиза по всей поверхности катода электролизера получены в этом варианте воплощения, когда разница между средним удельным электросопротивлением упомянутого по меньшей мере одного катодного блока, отличающегося от по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов), и средним удельным электросопротивлением упомянутого по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов) составляет по меньшей мере 20%, предпочтительно 30%, более предпочтительно по меньшей мере 50%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 100% наименьшего из этих средних удельных электросопротивлений.
Предпочтительно, упомянутый по меньшей мере один из по меньшей мере двух катодных блоков, отличающийся от по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов), размещают ближе к по меньшей мере одному из упомянутого по меньшей мере одного токоподвода, чем упомянутый по меньшей мере один (из) другой(их) катодный(ых) блок(ов). Как правило, более близкий к токоподводу катодный блок может обладать или более высоким, или более низким из двух средних удельных электросопротивлений; которая из этих компоновок является предпочтительной, зависит от управления токовым режимом электролизера.
В вышеупомянутом варианте воплощения предпочтительно, чтобы катод включал в себя по меньшей мере 3 разных типа катодных блоков, при этом средние удельные электросопротивления всех катодных блоков одного типа отличаются друг от друга на менее чем 12%, предпочтительно менее чем 9%, более предпочтительно менее чем 6%, а еще более предпочтительно менее чем 4% наименьшего из этих средних удельных электросопротивлений.
3
3
3
Согласно четвертому особенно предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения по меньшей мере один, а предпочтительно каждый из катодных блоков имеет кажущуюся плотность между 1,50 и 1,90 г/см, предпочтительно между 1,55 и 1,85 г/см, а более предпочтительно между 1,60 и 1,80 г/см.
Особенно хорошие результаты касательно обеспечения однородности профиля износа во время электролиза по всей поверхности катода электролизера получены в этом варианте воплощения, когда разница между кажущейся плотностью упомянутого по меньшей мере одного катодного блока, отличающегося от по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов), и кажущейся плотностью упомянутого по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов) составляет по меньшей мере 2%, предпочтительно 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8% наименьшей из этих кажущихся плотностей.
Также в этом варианте воплощения предпочтительно, чтобы упомянутый по меньшей мере один из по меньшей мере двух катодных блоков, отличающийся от по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов), находился ближе к по меньшей мере одному из упомянутого по меньшей мере одного токоподвода, чем упомянутый по меньшей мере один (из) другой(их) катодный(ых) блок(ов).
Предпочтительно, катод включает в себя по меньшей мере 3 разных типа катодных блоков, при этом кажущиеся плотности всех катодных блоков одного типа отличаются друг от друга на менее чем 1,5%, предпочтительно менее чем 1,2%, более предпочтительно менее чем 0,8%, а еще более предпочтительно менее чем 0,4%, и кажущиеся плотности всех катодных блоков одного типа отличаются от кажущихся плотностей всех катодных блоков всех других типов на по меньшей мере 2%, предпочтительно по меньшей мере 4%, более предпочтительно по меньшей мере 6%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 8% наименьшей из этих кажущихся плотностей.
Поскольку на кажущуюся плотность влияет открытая пористость катодного блока, то предпочтительно, чтобы в вышеупомянутом варианте воплощения упомянутый по меньшей мере один катодный блок, имеющий более высокую кажущуюся плотность, имел более низкую среднюю открытую пористость, чем упомянутый по меньшей мере один другой катодный блок, имеющий более низкую кажущуюся плотность. В этом описании открытую пористость материала катодного блока определяют в соответствии со ISO-стандартом ISO 12985-2, а среднюю открытую пористость катодного блока определяют путем измерения открытой пористости в соответствии с ISO-стандартом ISO 12985-2 в 5 различных местах катодного блока, как описано выше относительно определения кажущейся плотности, и затем путем вычисления среднего арифметического 5 полученных значений.
В этом варианте воплощения разница между средней открытой пористостью упомянутого по меньшей мере одного катодного блока, отличающегося от по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов), и средней открытой пористостью упомянутого по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов) может быть, например, по меньшей мере 15%, предпочтительно по меньшей мере 20%, более предпочтительно по меньшей мере 30%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 40% наименьшей из этих средних открытых пористостей.
Также, в этом варианте воплощения упомянутый по меньшей мере один из по меньшей мере двух катодных блоков, отличающийся от по меньшей мере одного (из) другого(их) катодного(ых) блока(ов), размещен ближе к по меньшей мере одному из упомянутого по меньшей мере одного токоподвода, чем упомянутый по меньшей мере один (из) другой(их) катодный(ых) блок(ов). В этом варианте воплощения разница между средней открытой пористостью упомянутого по меньшей мере одного катодного блока, который размещен ближе к по меньшей мере одному из упомянутого по меньшей мере одного токоподвода, и средней открытой пористостью упомянутого по меньшей мере одного другого катодного блока, который расположен более удаленным от упомянутого по меньшей мере одного токоподвода, может быть, например, по меньшей мере 15%, предпочтительно по меньшей мере 20%, более предпочтительно по меньшей мере 30%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 40% наименьшей из этих средних отрытых пористостей.
В принципе, катодные блоки электролизера согласно настоящему изобретению могут состоять из любого материала, известного специалистам в этой области техники. Настоящее изобретение особенно применимо к катодом на основе углерода. Соответственно, предпочтительно, чтобы по меньшей мере один из катодных блоков, а более предпочтительно все катодные блоки, содержал(и) или даже состоял(и) из материала на основе углерода и, в частности, одного из графитового углерода, графитированного углерода или аморфного углерода. Эти материалы особенно пригодны для электролизеров, которые предназначены использоваться для получения алюминия, например, с помощью процесса Холла-Эру. Форма и размеры катодных блоков могут быть точно такими же, как катодные блоки, используемые в электролизерах уровня техники. Таким образом, по меньшей мере один, а предпочтительно каждый из катодных блоков может иметь по существу прямоугольную форму основания с двумя продольными сторонами, определяющими длину соответствующего катодного блока, и двумя широкими сторонами, определяющими ширину соответствующего катодного блока, при этом отдельные катодные блоки предпочтительно расположены примыкающими друг к другу вдоль их продольных сторон.
Теперь изобретение будет описано посредством предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на прилагающиеся чертежи, на которых:
фиг. 1 показывает схематический вид сбоку электролизера;
фиг. 2-13 показывают схематический вид сверху катода электролизера согласно соответствующему варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг. 1 показывает вид сбоку электролизера, который включает в себя несколько катодных блоков 10, образующих катод 12 электролизера. Как показано на фиг. 1, длина одного катодного блока по существу покрывает всю ширину электролизера, тогда как в продольном направлении y (см. фиг. 2-13) электролизера, т.е. в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа на фиг. 1, несколько катодных блоков 10 расположены примыкающими друг к другу и соединены друг с другом вдоль своих широких сторон, чтобы покрыть длину электролизера. Слой 14 жидкого алюминия размещается на верху катода 12, а на слое 14 жидкого алюминия располагается слой расплава 16. Наконец, анод 18, состоящий из множественных анодных блоков 20, 20', расположен выше слоя расплава 16 и соприкасается с верхней поверхностью слоя расплава 16. К тому же, анодные блоки 20, 20' находятся в электрическом контакте с одним из одного или более токоподводов 22, который по меньшей мере частично простирается в вертикальном направлении и который подает ток к электролизеру. Как показано на фиг. 1, два анодных блока 20, 20' по существу покрывают длину одного катодного блока 10 в поперечном направлении x электролизера. Электрический ток обеспечивается токоподводом 22 и входит в электролизер через анодные блоки 20, 20', проходит через слой расплава 16 и слой 14 жидкого алюминия и затем входит в катодный блок 10, из которого электрический ток собирается токоотводящим стержнем 24, простирающимся через нижнюю часть катодного блока 10. Конструктивные элементы электролизера не нарисованы в масштабе на фиг. 1. Наоборот, в действительности высота катодного блока 10 больше относительно высоты слоя 14 жидкого алюминия и слоя расплава 16. К тому же, токоотводящий стержень 24 обычно вставлен в паз, который располагается в донной части катода 12, вместо того, чтобы располагаться в середине катода 12, как схематически показано на фиг. 1.
Фиг. 2 показывает схематический вид сверху катода 12 электролизера согласно первому примерному варианту воплощения настоящего изобретения.
Катод 12 электролизера состоит из 20 катодных блоков 10, 10A, 10A', которые расположены примыкающими друг к другу в продольном направлении y электролизера с образованием прямоугольной формы основания электролизера. Также показаны два токоподвода 22, 22', которые располагаются на одной стороне от катода 12 и которые электрически соединены с анодом (не показано на фиг. 2) электролизера. Вообще, согласно изобретению, электролизер может включать в себя один токоподвод или более чем один токоподвод, например, 2, 3, 4 или более токоподводов. Подобным же образом, число катодных блоков может меняться, и электролизер может, в частности, включать в себя более чем 20, например, 30 или более катодных блоков.
Катодный блок 10A, который ближе всего к токоподводу 22, принадлежит к первому типу (в дальнейшем также называемому "типом А"), который отличается от типа катодных блоков 10, примыкающих к катодному блоку 10А, в отношении по меньшей мере одного свойства из износоустойчивости, теплопроводности и удельного электросопротивления. Подобным образом, катодный блок 10A', который размещен ближе всего к токоподводу 22', принадлежит к типу А, который отличается от типа катодных блоков 10, примыкающих к катодному блоку A', в отношении по меньшей мере одного свойства из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности.
Таким образом, профиль износа, температурный профиль и/или плотность электрического тока электролизера могут быть эффективно сделаны однородными при минимуме усилий на реализацию.
Все катодные блоки 10, показанные на фиг. 2, состоят из идентичных материалов и, таким образом, в частности, все имеют одинаковую среднюю прочность при сжатии, одинаковую среднюю теплопроводность, одинаковое среднее удельное электросопротивление и одинаковую кажущуюся плотность.
Фиг. 3 показывает второй примерный вариант воплощения настоящего изобретения, который подобен вышеописанному первому варианту воплощения, при этом каждый токоподвод 22, 22' приписан катодному блоку 10A, 10A' первого типа А, каждый из которых позиционирован между двумя катодными блоками 10В, 10B' и 10В'', 10B''' соответственно, при этом катодные блоки 10В, 10B' и 10В'', 10B''' принадлежат ко второму типу В, который отличается от типа А в отношении по меньшей мере одного свойства из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности. Все из остающихся катодных блоков 10 принадлежат к третьему типу, который отличается от типа А, а также от типа В в отношении по меньшей мере одного свойства из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности.
Фиг. 4 показывает третий примерный вариант воплощения катода 12 электролизера по настоящему изобретению, который подобен второму примерному варианту воплощения, показанному на фиг. 3, но отличается от него тем, что предусмотрен четвертый тип катодных блоков 10C, 10C', 10С'', 10C''', при этом каждый катодный блок 10C, 10C', 10С'', 10C''' четвертого типа расположен между одним из катодных блоков 10В, 10B', 10В'', 10B''' и катодным блоком 10, при этом четвертый тип отличается от других трех типов в отношении по меньшей мере одного свойства из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности.
Фиг. 5 показывает четвертый примерный вариант воплощения катода 12 электролизера по настоящему изобретению, который подобен первому примерному варианту воплощения, показанному на фиг. 2, но отличается от него тем, что предусмотрены третий тип катодных блоков 10B, 10B' и четвертый тип катодных блоков 10, 10C', при этом один из каждого из катодных блоков 10В, 10B', 10C, 10С' второго и третьего типа примыкает к катодному блоку 10А типа А. Также, в этом варианте воплощения все типы отличаются друг от друга в отношении по меньшей мере одного свойства из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности.
Фиг. 6 показывает пятый примерный вариант воплощения катода 12 электролизера по настоящему изобретению, который подобен четвертому примерному варианту воплощения, показанному на фиг. 5, но отличается от него тем, что предусмотрен пятый тип катодных блоков 10D, 10D', 10D'', 10D''' , при этом каждый катодный блок 10D, 10D', 10D'', 10D''' пятого типа расположен между катодными блоками 10B и 10, между катодными блоками 10С и 10, между катодными блоками 10C' и 10 и между катодными блоками 10B' и 10, соответственно, при этом все типы отличаются друг от друга в отношении по меньшей мере одного свойства из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности.
Фиг. 7 показывает шестой примерный вариант воплощения катода 12 электролизера по настоящему изобретению, который подобен четвертому примерному варианту воплощения, показанному на фиг. 5, при этом каждый из катодных блоков 10В, 10B' типа В на одной стороне расположен примыкающим к соответствующему катодному блоку 10D, 10D' типа D. Подобным образом, каждый из катодных блоков 10С, 10С' на одной стороне расположен примыкающим к соответствующему катодному блоку 10E, 10E' типа E, при этом типы D и E отличаются от всех других типов в отношении по меньшей мере одного свойства из средней прочности при сжатии, средней теплопроводности, среднего удельного электросопротивления и кажущейся плотности.
Фиг. 8 показывает седьмой примерный вариант воплощения катода 12 электролизера по настоящему изобретению. В близких к каждому токоподводу 22, 22' местах катода 12 расположены два катодных блока 10A, 10A' и 10A'' и 10A''' типа А, примыкающие друг к другу, и окружены катодными блоками 10 другого типа.
Фиг. 9-13 показывают дополнительные примерные варианты воплощения катода 12 электролизера по настоящему изобретению, причем каждый включает в себя по меньшей мере два разных типа катодных блоков.
Далее настоящее изобретение описывается посредством примера и сравнительного примера, которые иллюстрируют, но не ограничивают настоящее изобретение.
Пример
Катод собирали путем расположения двух катодных блоков первого типа 10A, 10A', четырех катодных блоков второго типа 10В, 10В', 10В'', 10В''' и 14 катодных блоков третьего типа 10, как показано на фиг. 3, в электролизере, показанном на фиг. 1.
3
3
3
Катодные блоки первого типа имели кажущуюся плотность 1,80 г/см, прочность при сжатии 55 МПа, удельное электросопротивление 11 Ом⋅мкм, теплопроводность 125 Вт/К⋅м и открытую пористость 11%, тогда как катодные блоки второго типа имели кажущуюся плотность 1,75 г/см, прочность при сжатии 48 МПа, удельное электросопротивление 11 Ом⋅мкм, теплопроводность 120 Вт/К⋅м и открытую пористость 13%, а катодные блоки третьего типа имели кажущуюся плотность 1,69 г/см, прочность при сжатии 35 МПа, удельное электросопротивление 11 Ом⋅мкм, теплопроводность 120 Вт/К⋅м и открытую пористость 16%.
Полученный таким образом электролизер эксплуатировали в течение 730 дней при силе тока 360 кА.
После этого оценивали профиль износа катода и обнаружили, что катодная поверхность износилась равномерно по всей поверхности катода электролизера с гораздо меньшей скоростью износа по сравнению со обычным электролизером, сооруженным лишь с одним типом катодного блока, описанным ниже.
Сравнительный пример
Катод собирали путем расположения двадцати катодных блоков третьего типа, как описано в вышеупомянутом примере, в электролизере, показанном на фиг. 1.
Полученный таким образом электролизер эксплуатировали, как описано выше в примере. После этого оценивали профиль износа катода и обнаружили, что были - по сравнению с катодом вышеупомянутого примера - участки более высокого износа, которые совпадали с катодной поверхностью вблизи стояков. Более того, другие участки катодной поверхности показали непостоянную степень износа. Максимальная разница в скорости износа между наиболее изношенным и наименее изношенным участками поверхности составляла 55 мм/год.
Список ссылочных позиций
10 катодный блок
10A, 10A', 10A'', 10A''' катодный блок
10B, 10B', 10B'', 10B''' катодный блок
10С, 10С', 10С'', 10С''' катодный блок
10D, 10D', 10D'', 10D''' катодный блок
10E, 10E' катодный блок
12 катод
14 слой жидкого алюминия
16 слой расплава
18 анод
20, 20' анодный блок
22, 22' токоподвод
24 токоотводящий стержень
x, y, z направление