MODÈLE MATHÉMATIQUE DE PRÉDICTION D’EFFICACITÉ DE COURANT

Table des matières

LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SYMBOLES
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Généralités
1.2 Problématique
1.2.1 Système de contrôle
1.2.2 Recherche de paramètres opérationnels optimaux
1.3 Objectifs du projet de recherche
1.4 Organisation du document
CHAPITRE 2 NOTIONS DE BASE D’ÉLECTROCHIMIE
2.1 Notion d’oxydant et de réducteur
2.2 Propriétés des solutions électrolytiques
2.2.1 Constitution des electrolytes
2.2.2 Interactions entre les particules ioniques
2.2.3 Electrolyte faible, electrolyte fort et notion d’activité
2.3 Notion de potentiel d’électrode et de potentiel électrochimique
2.3.1 Notion de potentiel standard d’électrode
2.3.2 Notion de potentiel électrochimique
2.3.3 Loi deNernst et potentiel d’équilibre
2.3.3 Influence du pH et de la température de l’électrolyte
2.4 Loi de Faraday
2.5 Transport de matière en solution ionique
2.5.1 La convection
2.5.2 La migration
2.5.3 La diffusion
2.5.4 Équation générale de transport
CHAPITRE 3 PROCÉDÉ HALL-HÉROULT
3.1 Présentation du procédé
3.1.1 Les anodes
3.1.2 Le bloc cathodique
3.1.3 Bain électrolytique
3.1.4 Le procédé Hall-Héroult d’hier à aujourd’hui
3.2 Composition du bain et effets des différents additifs
3.2.1 Composition du bain
3.2.2 Présence de différentes impuretés
3.2.3 Effets des différents additif
3.3 La chimie du bain
3.3.1 Ions présents dans l’électrolyte
3.3.2 Réactions anodiques et cathodiques
3.3.3 Réoxydation du métal
3.3.4 Émissions gazeuses
3.3.4.1 Emissions gazeuses lors du fonctionnement normal de la cuve
3.3.4.2 Emissions gazeuses lors d’un effet anodique
3.4 Bilan énergétique
3.4.1 Énergie reliée à la réaction
3.4.2 Pertes énergétiques
3.5 Bilan de voltage
3.5.1 Tensions aux bornes de la cuve
3.5.2 La force contre-électromotrice
3.5.3 Les surtensions
3.5.4 La pseudo résistance
3.5.5 Valeurs numériques
3.6 Formation et caractéristiques de l’alumine
3.6.1 La bauxite
3.6.2 Le procédé Bayer
3.6.3 Dissolution de l’alumine
3.6.3.1 Variétés d’alumines
3.6.3.2 Dissolution de l’alumine
3.6.4 Présence de la croûte et formation des dépôts durs
3.6.4.1 La croûte
3.6.4.2 Les dépôts durs
3.7 Les effets magnétohydrodynamiques et le rôle des bulles
3.7.1 Les effets magnétohydrodynamiques
3.7.2 Le rôle des bulles
3.8 Effets anodiques
CHAPITRE 4 EFFICACITÉ DE COURANT
4.1 Définition de l’efficacité de courant du procédé Hall-Héroult
4.2 Causes de perte d’efficacité de courant
4.2.1 Les réactions d’oxydoréduction
4.2.1.1 Réoxydation du métal
4.2.1.2 Oxydation defines gouttelettes d’aluminium dispersées dans le bain
4.2.1.3 Formation et oxydation du carbide d’aluminium
4.2.1.4 Impuretés dans I’electrolyte
4.2.2 Les chemins parasites du courant
4.2.2.1 Conductivité électronique
4.2.2.2 Courts-circuits entre la couche métallique et les anodes
4.2.3 Pertes physiques de métal
CHAPITRE 5 MODÈLE MATHÉMATIQUE DE PRÉDICTION D’EFFICACITÉ DE COURANT
5.1 Revue des modèles existants
5.2 Modèle Lillebuen : fondement théorique
5.3 Variables d’entrée et de sortie du modèle
5.4 Module chimique
5.5 Module électrique
5.5.1 Densité de courant critique
5.5.2 Force contre-électromotrice
5.5.3 Résistance électrique de la couche de bulles
5.5.4 Chute de voltage du bain
5.5.5 Calcul de la distance anode-cathod
5.6 Module thermique
5.6.1 Calcul des pertes de chaleur
5.6.2 Calcul de l’épaisseur de la gelée
5.7 Module hydrodynamique
5.8 Autres mécanismes de perte d’efficacité de courant
5.8.1 Effets des impuretés
5.8.2 Effets anodiques
5.9 Résumé du modèle
CHAPITRE 6 ÉTUDE DE LA GELÉE
6.1 Formation et rôle de la gelée
6.1.1 Formation de la gelée
6.1.2 Rôle de la gelée
6.2 Modèles globaux à résistances thermiques
6.2.1 Modèle à un canal de chaleur
6.2.1.1 Modèle de Haupin en ID
6.2.1.2 Modèle de Kiss en ID
6.2.2 Modèle à deux canaux de chaleur de Kiss
6.2.3 Comparaison des modèles
6.3 Modélisations numériques
6.3.1 Modèle et propriétés utilisés
6.3.2 Caractéristiques de la modélisation
6.3.2.1 Type d’étude
6.3.2.2 Changement de phase
6.3.2.3 Variable indépendante des modélisations
6.3.3 Résultats
6.3.4 Analyse des résultats
6.3.5 Équation généralisée
CHAPITRE 7 CONCLUSION
7.1 Principales contributions
7.2 Recommandations
RÉFÉRENCES
ANNEXE A PROPRIÉTÉS DE L’ÉLECTROLYTE
A.l. Solubilité de l’alumine
A.2. Solubilité du métal
A.3. Densité de I’electrolyte
A.4. Viscosité de I’electrolyte
A.5. Conductivité électrique de I’electrolyte
A.6. Température du liquidus