ITMI20130991A1 - Sistema per la misurazione di correnti presenti sugli elettrodi in celle elettrolitiche interconnesse. - Google Patents
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Description
SISTEMA PER LA MISURAZIONE DI CORRENTI PRESENTI SUGLI ELETTRODI IN CELLE ELETTROLITICHE INTERCONNESSE.
DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE
AMBITO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione è relativa a un sistema per misurare per via diretta la corrente alimentata a elettrodi di celle elettrolitiche utilizzate in particolare in impianti di estrazione o raffinazione elettrolitica di metalli non ferrosi.
ANTECEDENTI DELL’INVENZIONE
La corrente alimentata in celle utilizzate in impianti elettrochimici, in particolare in impianti per la realizzazione di processi di elettrodeposizione metallica quali ad esempio l’estrazione o la raffinazione elettrolitica di metalli può essere ripartita in maniera molto differente sugli elettrodi installati in dette celle con conseguenze negative sulla produzione. Questo fenomeno può verificarsi per svariati motivi. Ad esempio, nel citato caso particolare di impianti di estrazione o raffinazione di metalli gli elettrodi di polarità negativa (catodi), vengono frequentemente rimossi dalle loro sedi per consentire l’estrazione del prodotto depositato su di essi per essere poi riposizionati nelle loro sedi originarie per un seguente ciclo di produzione. Questa frequente movimentazione, essendo generalmente eseguita per un numero di catodi molto elevato, porta spesso a riposizionamenti non perfetti sulle barre portacorrente e a contatti elettrici non ideali anche a causa di incrostazioni che possono generarsi nelle loro sedi. È possibile inoltre che la deposizione del prodotto avvenga in maniera irregolare sull’elettrodo con formazione di gradienti di trasporto di massa che alterano il profilo della superficie dei catodi. Quando questo avviene si instaura uno stato di disequilibrio elettrico causato dalla distanza fra anodo e catodo che, infatti, non è più costante lungo tutta la superficie: la resistenza elettrica, che è funzione della distanza tra ogni coppia di anodi e catodi, viene a essere variabile con aggravamento del problema di irregolarità di distribuzione della corrente.
La corrente, dunque, può ripartirsi in quantità differente in ogni elettrodo sia a causa di cattivi contatti elettrici degli stessi elettrodi con le barre porta corrente, sia a causa delle alterazioni di profilo superficiale dei catodi. Inoltre, anche la semplice usura degli anodi può influenzare la distribuzione di corrente.
Queste disomogeneità di distribuzione di corrente possono portare a cortocircuiti anodo-catodo. Un’altra causa frequente di cortocircuito, in particolare nel caso del rame, è la formazione occasionale di depositi dendritici che crescono localmente in modo sempre più rapido al decrescere della distanza locale tra anodo e catodo, con una frazione sempre maggiore di corrente che tende a concentrarsi nel punto di crescita della dendrite, fino all’instaurarsi di una condizione di cortocircuito tra catodo e anodo. In caso di cortocircuito la corrente tende a concentrarsi sul catodo cortocircuitato sottraendo corrente ai rimanenti catodi e ostacolando seriamente la produzione, la quale non può essere ripresa che dopo la disconnessione del catodo cortocircuitato.
Una distribuzione di corrente irregolare inoltre, oltre a generare una perdita di qualità e capacità di produzione, come sopraindicato, mette a rischio l’integrità e la vita degli anodi di moderna concezione prodotti con reti di titanio.
Negli impianti industriali, visto l’elevato numero di celle e di elettrodi presenti, il compito di individuare irregolarità nella distribuzione di corrente è molto complesso. Questa rilevazione infatti, comporta migliaia di misurazioni manuali eseguite da operatori tramite rilevatori infrarossi o magnetici. Nel caso specifico di impianti di estrazione e raffinazione di metalli, questi rilevamenti vengono effettuati dall’operatore in un ambiente ad alta temperatura e in presenza di nebbie acide, prevalentemente per acido solforico.
Gli elementi convenzionali manuali utilizzati dagli operatori, come gaussmetri o strumenti con sensori infrarossi, permettono inoltre di localizzare solo grandi squilibri di distribuzione di corrente, in quanto in realtà rilevano squilibri associati a variazioni di campo magnetico o temperatura.
Questi sistemi manuali o semi-manuali hanno lo svantaggio di non poter essere attivi in continuo – consentendo solamente controlli occasionali – , di essere molto costosi e potenzialmente pericolosi per la salute dell’operatore.
Sono noti sistemi per il monitoraggio senza fili delle celle che, nonostante siano permanenti e lavorino in continuo, rilevano solo variazioni di voltaggio e di temperatura per ogni cella e non per ogni singolo elettrodo. Queste informazioni, per quanto detto sopra, sono poco precise e globalmente insufficienti.
Un tentativo di superare i problemi sopracitati è ad esempio descritto in WO2013037899. Il ritrovato descritto in questa domanda di brevetto ha lo svantaggio di comportare l’apposizione di migliaia di contatti direttamente sulle barre portacorrente dell’impianto, operazione complicata e difficoltosa da compiere su di un impianto operativo. Inoltre, tale misurazione indiretta della corrente impone l’applicazione di un modello di calcolo complicato che deve tener conto di approssimazioni.
Per queste ragioni, esiste un bisogno da parte dell’industria di un sistema tecnicamente ed economicamente praticabile per monitorare e misurare permanentemente e in continuo la distribuzione di corrente in tutti gli elettrodi presenti nelle celle di un impianto di elettrodeposizione metallica.
RIASSUNTO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione permette di misurare la distribuzione di corrente di un numero pressoché illimitato di elettrodi di impianti elettrochimici, ad esempio di impianti di deposizione elettrolitica di metalli non ferrosi (ad esempio di estrazione elettrolitica, o electrowinning, e di raffinazione elettrolitica, o electrorefining) senza richiedere l’intervento di operatori che effettuino misurazioni manuali in ambienti poco salubri e con segnalazione del malfunzionamento di uno o più elettrodi specifici mediante un sistema di allarme. L’invenzione permette inoltre di superare le complessità di calcolo e di istallazione dei sistemi di misura indiretti dell’arte nota potendo il sistema essere istallato direttamente sull’elettrodo in fase di produzione. Vari aspetti della presente invenzione sono enunciati nelle rivendicazioni annesse. Sotto un aspetto l’invenzione riguarda un sistema per la misurazione della distribuzione di corrente dei catodi e anodi presenti in un impianto elettrochimico di elettrodeposizione metallica, detto sistema comprendente:
- almeno una cella elettrolitica contenente un elettrolita;
- una barra portacorrente associata a detta almeno una cella elettrolitica;
- una pluralità di catodi e anodi in contatto elettrico e sormontata da barre porta elettrodo catodiche e anodiche di resistività omogenea e geometria regolare, dette barre porta elettrodo aventi una estremità poggiante in contatto elettrico su detta barra porta corrente e essendo adatte a mantenere i corrispondenti catodi e anodi in posizione all’interno di detta almeno una cella elettrolitica; dove dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche sono equipaggiate con almeno una sonda elettrica collegata ad almeno due punti di contatto di misurazione locati su dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche nella zona compresa tra il contatto elettrico con la barra portacorrente e il primo contatto elettrico con il catodo o l’anodo corrispondente.
Con il primo contatto tra barra porta elettrodo catodica e anodica e elettrodo (catodo o anodo rispettivamente) ad essa connesso si intende indicare il primo punto di contatto che la corrente incontra partendo dal suo lato di provenienza.
Gli inventori hanno rilevato che quando la geometria della barra porta elettrodo è regolare, è possibile inferire da questa misura la distribuzione di corrente sull’elettrodo agganciato alla barra porta elettrodo.
Sono noti nell’arte impianti elettrochimici di elettrometallurgia in configurazione per la quale le celle possono ricevere la corrente da un lato solo o avere barre di bilanciamento di corrente secondarie per la ridistribuzione della corrente. In quest’ultimo caso il sistema dell’invenzione è realizzato in modo da comprendere - almeno una cella elettrolitica contenente un elettrolita;
- una barra portacorrente associata a detta almeno una cella elettrolitica;
- una barra portacorrente secondaria di bilanciamento;
- una pluralità di catodi e anodi in contatto elettrico e sormontata da barre porta elettrodo catodiche e anodiche di resistività omogenea e geometria regolare, dette barre porta elettrodo aventi una prima estremità poggiante su detta barra porta corrente e una seconda estremità poggiante su detta barra portacorrente secondaria di bilanciamento, dette barre porta elettrodo adatte a mantenere i corrispondenti catodi e anodi in posizione all’interno di detta almeno una cella elettrolitica;
dove dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche sono equipaggiate con almeno una sonda elettrica collegata ad almeno quattro punti di contatto di misurazione locati su dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche nelle zone comprese tra i contatti elettrici con la barra portacorrente e la barra portacorrente secondaria di bilanciamento rispettivamente e il primo contatto elettrico con il catodo o l’anodo corrispondente.
In una forma di realizzazione il sistema secondo l’invenzione ha dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche equipaggiate con almeno un microcircuito avente un microprocessore ad esso connesso, detto microcircuito elettricamente collegato con detti punti di contatto di misurazione.
Per evitare di connettere le barre porta elettrodo con una molteplicità di cavi, operazione complessa per i gestori di impianto, le misure di caduta ohmica possono essere trasmesse al computer centrale per la necessaria elaborazione tramite trasmittente radio.
Per questo motivo in un’ulteriore forma di realizzazione il sistema secondo l’invenzione prevede che il microcircuito dotato di microprocessore sia altresì provvisto di trasmettitore radio.
In alcuni casi, la resistività delle barre porta elettrodo potrebbe essere influenzata da variazioni locali di temperatura associate a condizioni operative particolarmente critiche.
La necessaria correzione è resa possibile da una ulteriore forma di realizzazione del sistema secondo l’invenzione che prevede detti punti di contatto di misurazione siano connessi a un dispositivo di rilevamento della temperatura.
In un’ulteriore forma di realizzazione il sistema secondo l’invenzione ha il microcircuito avente un microprocessore ad esso integrato, i punti di contatto di misurazione sulle barre porta elettrodo, il trasmettitore radio eil dispositivo di rilevamento della temperatura protetti dall’ambiente acido da resine chimicamente resistenti, ad esempio resine epossidiche.
Sotto un altro aspetto, l’invenzione è relativa a un metodo di misurazione della distribuzione di corrente dei catodi e anodi presenti in un impianto elettrochimico di elettrodeposizione metallica comprendente i passaggi di:
- equipaggiamento di dette barre porta elettrodo con almeno una sonda elettrica elettricamente connessa con almeno due punti di contatto di misurazione locati su dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche nella zona compresa tra il contatto elettrico con la barra portacorrente e il primo contatto elettrico con il catodo o l’anodo corrispondente;
- calibrazione delle resistenze presenti sulle barre porta corrente catodiche e anodiche;
- trasmissione delle misure di corrente a un computer centrale tramite cavi o radiotrasmittente;
- elaborazione dei dati da parte del computer centrale;
- attivazione di un dispositivo di allarme collegato al computer centrale in caso di anomalie predefinite;
- attivazione di mezzi per la disconnessione degli elettrodi con funzionamento anomalo.
Sotto un ulteriore aspetto l’invenzione è relativa a una barra porta elettrodo catodica o anodica per processi di elettrodeposizione metallica avente una resistività omogenea, una geometria regolare e avente integrato almeno un microcircuito dotato di microprocessore, detto microcircuito collegato ad almeno due punti di contatto di misurazione localizzati nella zona della barra compresa tra il contatto elettrico con la barra portacorrente e il primo contatto elettrico con il catodo o l’anodo, detto microcircuito avente un circuito resistivo interno.
Sotto un ulteriore aspetto l’invenzione è relativa a un metodo di misurazione della distribuzione di corrente dei catodi e anodi presenti in un impianto elettrochimico di elettrodeposizione metallica comprendente i passaggi di:
- applicazione di un microcircuito dotato di microprocessore ad esso integrato a ogni barra porta elettrodo catodica e anodica collegato elettricamente ad almeno due punti di contatto di misurazione locati su dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche nella zona compresa tra il contatto elettrico con la barra portacorrente e il primo contatto elettrico con il catodo o l’anodo corrispondente; - calibrazione delle resistenze presenti sulle barre porta corrente catodiche e anodiche;
- trasmissione delle misure di corrente a un computer centrale tramite cavi o radiotrasmittente;
- elaborazione dei dati da parte del computer centrale;
- attivazione di un dispositivo di allarme collegato al computer centrale in caso di anomalie predefinite;
- attivazione di mezzi per la disconnessione degli elettrodi con funzionamento anomalo.
Alcune forme di realizzazione esemplificative del sistema dell’invenzione sono descritte nel seguito con riferimento ai disegni allegati, i quali hanno il solo scopo di illustrare la disposizione reciproca dei diversi elementi in forme di realizzazione particolare dell’invenzione; in particolare, i disegni non saranno intesi come riproduzioni in scala.
DESCRIZIONE IN BREVE DELLE FIGURE
Le figura 1 mostra una vista schematica di un accoppiamento elettrodo barra porta elettrodo secondo l’invenzione in una configurazione di doppio contatto elettrico.
La figura 2 mostra uno schema di un microcircuito elettrico secondo l’invenzione in una configurazione di doppio contatto elettrico.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE FIGURE
In figura 1 è mostrata una barra porta elettrodo 1, un elettrodo ad essa attaccato 2, punti di misurazione 3, 4, 5 e 6, le direzioni della corrente 7, 8, 9, 10 e 11, le barre porta corrente 12 e 13, il microcircuito dotato di microprocessore 14.
In figura 2 è mostrato uno schema di microcircuito elettrico dove è indicata l’area corrispondente al circuito 15 equivalente al circuito elettrico della barra porta elettrodo di figura 1, 16 è l’area corrispondente al circuito elettrico del microcircuito, i punti di misura 17, 18, 19 e 20, le resistenze elettriche corrispondenti alle frazioni della barra porta elettrodo 23 e 24, punti di misura di differenza di potenziale del microcircuito 21 e 22, resistenze applicate 25 e 26.
Alcuni tra i più significativi risultati ottenuti dagli inventori sono presentati nel seguente esempio, che non intende limitare l’ambito dell’invenzione.
ESEMPIO
Un sistema per la misurazione della distribuzione di corrente dei catodi e anodi assemblato applicando un circuito secondo lo schema di figura 2. Il metodo utilizzato per calcolare la ripartizione della corrente in questo caso specifico si basa sul modello espresso dalle seguenti formule. A è la tensione al punto 17, C la tensione al punto 19, B la tensione al punto 18 e D la tensione al punto 20. M la tensione al punto 21 e N la tensione al punto 22. K è la resistenza della barra porta elettrodo relativa alla sezione compresa tra i punti 17 e 18. P*K è la resistenza della barra porta elettrodo relativa alla sezione compresa tra i punti 19 e 20. R è il valore delle resistenze istallate tra i punti 17 e 21 e i punti 19 e 21. P*R sono le resistenze istallate tra i punti 19 e 21 e 20 e 22. I1 è la corrente tra i punti 17 e 18 e I2 è la corrente tra i punti 19 e 20.
La differenza di potenziale tra i punti M – N è quindi proporzionale a (I1 I2).
Conoscendo la I totale è possibile dunque ricavare R uguale a R1, R2… Rn e quindi le singole correnti.
La precedente descrizione non intende limitare l’invenzione, che può essere utilizzata secondo diverse forme di realizzazione senza per questo discostarsi dagli scopi e la cui portata è univocamente definita dalle rivendicazioni allegate.
Nella descrizione e nelle rivendicazioni della presente domanda la parola “comprendere” e le sue variazioni quali “comprendente” e “comprende” non escludono la presenza di altri elementi o componenti aggiuntivi.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema per la misurazione della distribuzione di corrente dei catodi e anodi presenti in un impianto elettrochimico di elettrodeposizione metallica, detto sistema comprendente: - almeno una cella elettrolitica contenente un elettrolita; - una barra portacorrente associata a detta almeno una cella elettrolitica; - una pluralità di catodi e anodi in contatto elettrico e sormontata da barre porta elettrodo catodiche e anodiche di resistività omogenea e geometria regolare, dette barre porta elettrodo aventi una estremità poggiante in contatto elettrico su detta barra porta corrente e essendo adatte a mantenere i corrispondenti catodi e anodi in posizione all’interno di detta almeno una cella elettrolitica; dove dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche sono equipaggiate con almeno una sonda elettrica collegata ad almeno due punti di contatto di misurazione locati su dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche nella zona compresa tra il contatto elettrico con la barra portacorrente e il primo contatto elettrico con il catodo o l’anodo corrispondente.
- 2. Sistema per la misurazione della distribuzione di corrente dei catodi e anodi presenti in un impianto elettrochimico di elettrodeposizione metallica, detto sistema comprendente: - almeno una cella elettrolitica contenente un elettrolita; - una barra portacorrente associata a detta almeno una cella elettrolitica; - una barra portacorrente secondaria di bilanciamento; - una pluralità di catodi e anodi in contatto elettrico e sormontata da barre porta elettrodo catodiche e anodiche di resistività omogenea e geometria regolare, dette barre porta elettrodo aventi una prima estremità poggiante su detta barra porta corrente e una seconda estremità poggiante su detta barra portacorrente secondaria di bilanciamento, dette barre porta elettrodo adatte a mantenere i corrispondenti catodi e anodi in posizione all’interno di detta almeno una cella elettrolitica; dove dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche sono equipaggiate con almeno una sonda elettrica collegata ad almeno quattro punti di contatto di misurazione locati su dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche nelle zone comprese tra i contatti elettrici con la barra portacorrente e la barra portacorrente secondaria di bilanciamento rispettivamente e il primo contatto elettrico con il catodo o l’anodo corrispondente.
- 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, ove dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche sono equipaggiate con almeno un microcircuito avente un microprocessore ad esso connesso, detto microcircuito elettricamente collegato a detti con detti punti di contatto di misurazione.
- 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, ove detto almeno un microcircuito è dotato di trasmettitore radio.
- 5. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, ove detti punti di contatto di misurazione sono connessi a un dispositivo di rilevamento della temperatura.
- 6. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 2 a 5 ove dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche sono equipaggiate con almeno un microcircuito avente un microprocessore ad esso integrato.
- 7. Sistema secondo la rivendicazione 6, ove il microcircuito avente un microprocessore ad esso integrato, detti punti di contatto di misurazione sulle barre porta elettrodo, detto trasmettitore radio e detto dispositivo di rilevamento della temperatura sono protetti dall’ambiente acido da resine chimicamente resistenti.
- 8. Metodo di misurazione della distribuzione di corrente dei catodi e anodi presenti in un impianto elettrochimico di elettrodeposizione metallica comprendente i passaggi di: - equipaggiamento di dette barre porta elettrodo con almeno una sonda elettrica elettricamente connessa con almeno due punti di contatto di misurazione locati su dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche nella zona compresa tra il contatto elettrico con la barra portacorrente e il primo contatto elettrico con il catodo o l’anodo corrispondente; - calibrazione delle resistenze presenti sulle barre porta corrente catodiche e anodiche; - trasmissione delle misure di corrente a un computer centrale tramite cavi o radiotrasmittente; - elaborazione dei dati da parte del computer centrale; - attivazione di un dispositivo di allarme collegato al computer centrale in caso di anomalie predefinite; - attivazione di mezzi per la disconnessione degli elettrodi con funzionamento anomalo.
- 9. Barra porta elettrodo catodica o anodica per processi di electrowinning o electrorefining avente una resistività omogenea, una geometria regolare e avente integrato almeno un microcircuito dotato di microprocessore, detto microcircuito collegato ad almeno due punti di contatto di misurazione locati nella zona della barra compresa tra il contatto elettrico con la barra portacorrente e il primo contatto elettrico con il catodo o l’anodo, detto microcircuito avente un circuito resistivo interno.
- 10. Metodo di misurazione della distribuzione di corrente dei catodi e anodi presenti in un impianto elettrochimico di elettrodeposizione metallica comprendente i passaggi di: - applicazione di un microcircuito dotato di microprocessore ad esso integrato a ogni barra porta elettrodo catodica e anodica collegato elettricamente ad almeno due punti di contatto di misurazione locati su dette barre porta elettrodo catodiche e anodiche nella zona compresa tra il contatto elettrico con la barra portacorrente e il primo contatto elettrico con il catodo o l’anodo corrispondente; - calibrazione delle resistenze presenti sulle barre porta corrente catodiche e anodiche; - trasmissione delle misure di corrente a un computer centrale tramite cavi o radiotrasmittente; - elaborazione dei dati da parte del computer centrale; - attivazione di un dispositivo di allarme collegato al computer centrale in caso di anomalie predefinite; - attivazione di mezzi per la disconnessione degli elettrodi con funzionamento anomalo.
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