WO2020077479A1 - Sistema para inyectar corriente alterna en celdas electrolíticas, que comprende láminas que separan los electrodos de la celda en grupos - Google Patents

Sistema para inyectar corriente alterna en celdas electrolíticas, que comprende láminas que separan los electrodos de la celda en grupos Download PDF

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WO2020077479A1
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cell
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electrolyte
alternating current
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Pablo Hernán INZUNZA BUSTOS
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Thor Spa
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • Electrolytic copper is produced industrially through electrolytic processes that are: (i) the final stage of processing of oxidized minerals and secondary sulphides, whose transformation into metallic copper, occurs through the process of electrowinning (EW, electrowinning), and (ii) the final stage of primary sulfide mineral processing, through the electro refining (ER) process.
  • Electrolytic copper is produced on metal cathodes, which is the main format in which copper is sold in the world.
  • Electrolytic processes occur inside electrolytic cells, in which the electrodes (anodes and cathodes) are inserted. It is possible to define the concept of "elemental electrolytic cell", as the set consisting of an anode surface facing a cathodic surface, electrically connected through the electrolyte contained between them.
  • industrial electrolytic cells are made up of multiple elementary electrolytic cells, in which the anodes are connected to a common bus (also called inter-cell bus), through which the positive pole of the direct current source is connected, and the cathodes to another common bus (another inter-cell bus), through which the negative pole of the direct current source is connected.
  • the cells are grouped together and electrically connected in series to a direct current electrical source, usually a rectifying transformer, which produces the direct current necessary for the copper dissolved in the electrolyte to deposit in the cathodes.
  • the direct current enters the electrolyte from the anodes, through a process of oxidation of water molecules, of which the electrolyte is formed, by which gaseous oxygen is generated, which escapes to the surface, and protons (H + ) they act as ionic electrical carriers; causing in turn and simultaneously, that the copper is deposited on the cathodes, through a process of reduction, at a rate that is determined by the intensity of the direct current.
  • the electrolyte that circulates inside the electrowinning cells is an ionic solution composed of: water, sulfuric acid, in a concentration of around 180 [gr / lt] and copper, in a concentration of 30 to 50 [gr / lt] for the EW process;
  • the incoming electrolyte is rich electrolyte and the outgoing electrolyte of the cells is poor electrolyte, since the electrowinning process decreases the copper concentration.
  • the electrolyte that circulates inside the electro-refining cells has slightly higher concentrations, between 40 and 60 [gr / lt] and, in this In this case, the electrolyte leaving the cells has a higher concentration than the concentration of the incoming electrolyte, because the deposition process is a cascade of the dissolution process, therefore, the deposition rate (mass / unit of time) of copper on cathodes, it must be less than the dissolution rate of the anodes.
  • the electro-refining plants have groups of auxiliary electrowinning cells, which control the elevation of the copper concentration.
  • the anodes for industrial electrowinning processes are, for the most part, lead sheets with a copper bar soldered on the upper edge, which operates as a mechanical support, in which one of its ends operates as a connection terminal to the bar inter-cell and, in which the other, is a simple mechanical support (inert terminal).
  • a coating of lead dioxide is formed, which catalyzes the oxidation reaction of the water.
  • Lead anodes have thicknesses between 6 and 9 [mm] of lead, for new anodes, which decreases over the life of the anodes, since the oxidation process of the water is chemically aggressive, due to the generation of protons (high local pH), as mechanically aggressive, due to the permanent formation of gaseous oxygen bubbles. Due to this, it is observed that lead anodes are not dimensionally stable. To solve this, technologies have been developed that tend to provide dimensionally stable anodes (DSA), based on sheets or rectangular meshes of titanium, covered by noble metal oxides, which together with an effect of reducing the anode over potential, generate an alternative interesting to replace lead anodes. The rectangular mesh structure gives the process an improvement in the circulation of the electrolyte.
  • DSA dimensionally stable anodes
  • the anodes are shaped as rectangular plates of impure copper, in thicknesses of the order of 40 [mm], in newly planted anodes, and which, as a result of the oxidation process, dissolve and supply the copper to the electrolyte, to then deposit on the cathode, while a part of the impurities precipitate in the bottom of the cell, forming the anode mud.
  • the cathodes for the electro-obtaining and electro-refining processes can be formed as permanent cathodes or as initial sheets.
  • the permanent cathodes are made up of stainless steel sheets with a copper bar welded to its upper edge, which acts as a mechanical support and connection terminal to the inter-cell bar, which are inserted without copper and, later, after a deposit period that varies between four and seven days, depending on the applied DC density, they are removed with metallic copper adhered on both sides;
  • the initial copper sheets which are the product of a previous process that produces them for this purpose, are seeded in the cell. On these initial sheets, copper is then deposited, which is harvested after a certain time.
  • a similar phenomenon of large proton agglomeration occurs in the vicinity of the anode surface, where the anodes are generated from the oxidation of water.
  • the agglomerations of electric charges generate electric fields and potentials (and vice versa), whose intensities and values are determined by strict mathematical relationships (Maxwell's laws), such that an agglomeration of ions (protons and other ionic species) It will generate a high electric field which, in turn, will cause a high difference in electric potential.
  • the overpotentials are added to the thermodynamic potential to determine the energy consumption of the electrowinning and electrorefining processes.
  • the agglomeration of protons and other ionic species, at the cathodic interface largely conditions the cathodic over-potential, as well as a high electric field, which, in turn, It determines “the climate” in which the reduction of copper ions occurs, a phenomenon that, instead of occurring through charge transfer, in this climate tends to occur through dielectric breakdown.
  • the solution proposed in the INAPI application 1 14-2018 constitutes a radical change from the approach of the previous inventions and solutions, proposing the implementation of an alternating current source for a cell, whose current capacity must be dimensioned to excite only one side of each electrode, so that the design and implementation problem of the alternating current source is dramatically simplified.
  • the direct current flows from the face of the anodes and then, through the electrolyte to the face of the cathodes, as a result of the electrical source being firmly connected at the terminals of the anodes, at its positive pole, and at the cathodes, at its negative pole, so that the electric field lines and the direct current circulate, from each electrode to the consecutive electrodes, exclusively (figure 1).
  • the direct current that circulates from the anode surfaces to the cathodic ones is determined by the phenomenon modeled and studied by electrochemical kinetics and which can be expressed by graphs in the Vl plane (voltage-current plane). Accordingly, the overpotentials in the vicinity of the electrode surface are an increasing function of the direct current intensity, thus, if by a determined area of The electrode surface circulates more current, so the potential envelope increases.
  • the voltages In the context in which the electrodes are connected in parallel, the voltages must be equal, so that the existence of overpotentials acts as a control mechanism for the intensity of the direct current.
  • the distribution of direct current on the electrode surfaces is determined by a current divider with resistive impedances (objects in the Vl plane).
  • the current distribution between the electrodes will be even; therefore, the irregularity of the current distribution between electrodes is mainly determined by the aforementioned electrolyte conditions.
  • the technical problem to be solved consists of how to implement the superposition of alternating current, of high intensity and controlled, with a frequency greater than 5 [KHz], on the direct current, which circulates from the anode surfaces to the cathodic surfaces, in electrolytic cells that contain multiple anodes and intercalated cathodes, both for electro-obtaining processes and for electro-refining processes of copper and other metals, mitigating the variability effect of alternating current on the surfaces of the electrodes, product of circulation by the alternative paths and mitigating the spread of the variability of the intensity of the alternating current, product of local process defects, which is evidenced by connecting an alternating current source at the end electrodes of the cell, producing a current distribution alternates in the electrodes that presents a high variability, similar to the graph or 1 in figure 3.
  • the invention object of this invention patent application, proposes to solve the technical problem by interrupting the continuity, through the installation of dielectric sheets, of the main leakage path of alternating current, defined by the edges of the electrodes and the inner faces of the cell.
  • the alternating current is forced, every certain reduced number of electrodes, to flow, in a high proportion of its maximum intensity, through their surfaces (figure 4), obtaining a distribution of alternating current intensities in the electrodes, similar to that shown in graph 3 or 4 of figure 3.
  • the incorporation of separator sheets intervenes in the cell's hydraulic circuit, so the invention takes charge of this fact by proposing two implementation alternatives which are: administer the flow, as parallel flows, or to manage the flow, as series flow, solving the technical problem posed.
  • the invention is then constituted as a system for superimposing high intensity and controlled alternating current with a frequency greater than 5 [KHz], on the direct current, which circulates from the anode surfaces to the cathodic surfaces, in electrolytic cells containing multiple anodes and cathodes intercalated, for processes of electro obtaining or electro refining of copper and other metals, characterized by providing:
  • the invention which reformulates the electrolyte circulation system and restricts the path of alternating current leakage around the edges of the electrodes, solves a technical problem that appears to be completely in the electrical field, with a completely hydraulic methodology.
  • Alternating current sources can easily be implemented as inverters that generate current of the appropriate frequency for the process.
  • a An important characteristic that must be considered in the design of these sources is that, even though the current to be injected into the cell groups is relatively high (over 200 [Arms]), the active power required by the process is practically nil. , since the alternating current circulates through the capacitors of the interfaces and through the electrolyte, which has a very high electrical conductivity, and must therefore supply only the power of the losses in: the source elements, the conductors and the elements of connection.
  • the sources consisting of: an AC / DC converter or a DC / DC converter, a low current inverter and a transformer with a turn in the secondary winding, will turn out to be very robust and low cost, being easily adaptable to operate in the environmental and geometric conditions, which characterize industrial electrolytic processes.
  • Electric transformers can be implemented with flat spiral primary and secondary windings, as well as can be implemented with a tubular secondary winding (a spiral) and a primary winding, inserted inside. In both cases, implementations of the transformers will comply with being robust, with minimal geometry and very low cost (figure 7).
  • the capacitor must always have over-current or short-circuit protection, be it fuse, thermo-magnetic or other protection, since the short-circuit capacity of an electrolytic cell is very high.
  • the connection at the end anodes of the cell can be carried out as a bolted connection, drilling the upper bar of the anodes, particularly for the electrowinning process in which the anodes are fixed, or by using quick connectors that connect to the top end of the copper plates.
  • this invention does not solve the technical problem of the leakage of alternating current through the anode holes formed as a mesh, since the leakage path is, in this case, precisely on the face of the electrode, to a much greater extent than on its edges. and it is unrealistic to occlude the mesh holes.
  • the benefit of the application will be restricted to the cathodic benefit.
  • the invention appears to be especially suitable for application in electrowinning plants with sheet-type anodes.
  • the electrolyte distribution system of the cells must be of very low flow and, the eventual installation of an incoming electrolyte distribution channel at the bottom, will remove the anode mud or, worse still, it could be buried or covered by anode mud.
  • the METTOP system seems appropriate, which introduces an electrolyte distribution system, at an intermediate level of the cell, with an electrolyte distribution channel, arranged laterally, generating an implementation in parallel flows.
  • the incoming electrolyte distribution channels or manifolds and the evacuation channels can be made of fiberglass sheets or other dielectric material (electrical insulator), low cost and resistant to the condition of high chemical aggressiveness (acidity) that is present in electrolytic cells.
  • Both the incoming electrolyte distribution channels and the evacuation channels can be complemented with nozzles to increase the path length and increase the resistance to the leak path, further minimizing the leakage currents that could circulate through the electrolyte inside the electrolyte distribution channels entering or inside the evacuation channels.
  • the channels for distribution of the incoming electrolyte can be shaped as a tube or several tubes or pipes with perforations, or by bodies of different geometric shape, in particular, as a rectangular pipeline and equipped with outlet perforations made directly on the surface or nozzles installed in such perforations. It is also possible to introduce instrumentation systems to monitor the performance of the hydraulic circuit, including flowmeters for measurement and / or actuators for flow regulation.
  • the separator sheets can be made entirely of dielectric material, in which case the electrical connection of alternating current must be made using metal connectors that join the end electrodes of the consecutive electrode groups, in which case they are wasted the external surfaces of the end electrodes or, on the contrary, the separating sheets can be formed, at the edge, of dielectric material and in the central part, by the sheet that constitutes an electrode.
  • Another alternative is to redesign the large electrolytic cell in current use and replace it with a set of cells with a reduced number of electrodes.
  • the separating dielectric sheet is a structural part of the cells.
  • An interesting advantage of the invention when implementing consecutive groups of consecutive electrodes, is that it improves the distribution of residence times (DTR) of differential volumes of electrolyte inside the cell, as this distribution depends on the scale of the reactor. This is especially important in cells with a higher volume in which, as a result of the increase in the residence time of the electrolyte and a worsening of the conditions of the mobility of the electrolyte, dead zones appear, with low or no mobility of the electrolyte which generates a deterioration of the quality of the copper produced.
  • This technical problem can be solved with this invention, improving the performance of electrolytic processes in such cells, or in high-volume cells, such as those used for the production of Zinc. In this case, it also seems natural to incorporate a local electrolyte drive pump, in order to increase its flow.
  • the number of cells, veils or separator sheets of the cell's hydraulic circuit will depend on some statistical parameter of the distribution function of the alternating current at the electrodes. An idea of this can be obtained by the simple observation of figure 3, in which, in cases 1 and 2, the distribution of alternating current presents a great dispersion and, in cases 3 and 4, the distribution improves remarkably, when increase the number (or frequency) of veils or spacer sheets.
  • the electrical leakage circuit consisting of the electrode terminals and the inter-cell bars, of the DC power supply and distribution system, if required, can be interrupted by the sectioning of the inter-cell or equipotential bars.
  • FIGURE 1 Plan view of the appearance of the continuous electric field lines, in a group of consecutive electrodes that contains three anodes and two consecutive cathodes and which is fed with direct current from the anodes to the cathodes.
  • the electric field lines connect each electrode with both electrodes that are consecutive, exclusively.
  • FIGURE 2 Plan view of the appearance of the alternating electric field lines, in a group of consecutive electrodes that contains three anodes and two consecutive cathodes and that is supplied with direct current from the anodes to the cathodes and with alternating current from the first anode to the last anode in the group.
  • Electric field lines are observed that connect each electrode with all and each of the other electrodes in the group, which implies that the alternating current also circulates between the inside surface of the cell and the edges of the electrodes.
  • FIGURE 3 Graph of current intensity in the typical EW cell electrodes of 60 cathodes and 61 anodes: case in which the invention is not applied (1), case in which the invention is applied in groups of electrodes formed by 10 cathodes and 1 1 anodes (2), case in which the invention is applied in groups of electrodes formed by 5 cathodes and 6 anodes (3) and case in which the invention is applied in groups of electrodes formed by 2 cathodes and 3 anodes (4) .
  • cases 1 and 2 the current distribution presents a great irregularity and in cases 3 and 4, the distribution regularity improves remarkably as a result of the application of the invention.
  • FIGURE 4 Scheme of the invention in an electrolytic cell, in cross-sectional view (A) and in longitudinal sectional view (B), which includes the following elements: direct current source (5), alternating current source (6) , connected in anodes (7) and cathodes (8), electrolyte flow lines (35), veils or dielectric sheets (21) for incoming (lateral) electrolyte distribution channel (33) and an evacuation channel (34) , electrolyte connection to cell (13), electrolyte outlet from cell (14), main incoming electrolyte manifold (11) and main outgoing electrolyte manifold (12).
  • FIGURE 5 Diagram of the invention in an electrolytic cell, in longitudinal section view of implementation with series flows (B) and in longitudinal section view of implementation with parallel flows (C), which includes the following elements: current source alternating (6), connected in anodes (7) and cathodes (8), sheets dielectric (16) incoming electrolyte distribution channel (17) and an evacuation channel (18), electrolyte connection to cell (13), electrolyte outlet from cell (14), main incoming electrolyte manifold (1 1 ) and outgoing electrolyte main manifold (12).
  • FIGURE 6 Scheme of the invention for implementations in which the separator sheets (16) include the entire surface of the cross section of the cell, so that the electrical connection of alternating current between end electrodes of consecutive groups of consecutive electrodes, is carried out by a metallic conductors (19), for the case in which this type of implementation is carried out inside a cell (D) and for the case in which the implementation is carried out with structurally separated cells (E).
  • FIGURE 7 Air core electrical transformers implemented in a cylindrical structure with a secondary turn and a primary winding with multiple turns arranged inside, with connection terminals perpendicular to the cylinder body (9) and with connection terminals parallel to the cylinder body (10 ).
  • FIGURE 8 Examples of separator sheets shaped as dielectric sheets at the edge and as anodes (7) (could also be cathodes) in the center: for distribution channel at the bottom of the cell and a bifurcated evacuation channel (20), for lateral distribution channel and lateral evacuation channel (21), for implementation with parallel flows and with holes for lower (22) and upper (23) electrolyte circulation, in the case of implementation of series flows.
  • FIGURE 9 Examples of separator sheets, in the case that they include the entire surface of the cell cross section and are not attached to electrodes: for distribution channel at the bottom of the cell and a single evacuation channel (24 ), for lateral distribution channel and lateral evacuation channel (25), for implementation with parallel flows and with holes for lower (26) and upper (27) electrolyte circulation, in the case of series flow implementation.
  • FIGURE 10 Proposal for the installation and connection of the alternating current source to anodes (7) ends: cylindrical transformer with air core (10), inverter source board (28) and laminar conductor (29).
  • FIGURE 1 1 Proposed hydraulic circuit with an incoming electrolyte distribution channel at the bottom of the cell (30) and a forked channel (31) with a cross-sectional view (enlarged) and an isometric view that includes: anode (7) with Attached separator sheet (20), an incoming electrolyte distribution channel at the bottom of rectangular profile (30), nozzles (32), bifurcated evacuation channel (31), cell outlet drawer and poor electrolyte drain (15).
  • FIGURE 12 Proposed hydraulic circuit with a lateral incoming electrolyte distribution channel (33) and a lateral evacuation channel (34), with a cross-sectional view (enlarged) and an isometric view that includes: anode (7) with attached separator sheet (21), a rectangular profile side inlet electrolyte distribution channel (33), nozzles (32), side discharge channel (31), cell outlet drawer and lean electrolyte sump (15)

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Abstract

Un sistema para superponer corriente alterna, de intensidad alta y controlada y de frecuencia superior a 5 [KHz], sobre la corriente continua, que circula desde las superficies anódicas hasta las superficies catódicas, en celdas electrolíticas que contienen múltiples ánodos y cátodos intercalados, para procesos de electro obtención o electro refinación de cobre y otros metales, caracterizado por proveer: (i) fuente de corriente alterna, (ii) láminas de material dieléctrico que dividen la celda en grupos consecutivos de electrodos consecutivos; y, eventualmente: (iii) canal de distribución de electrolito entrante y (iv) canal de evacuación de electrolito saliente.

Description

SISTEMA PARA INYECTAR CORRIENTE
ALTERNA EN CELDAS ELECTROLÍTICAS, QUE COMPRENDE LÁMINAS QUE SEPARAN LOS ELECTRODOS DE LA CELDA EN GRUPOS
El cobre se produce industrialmente mediante procesos electrolíticos que son: (i) la etapa final del procesamiento de minerales oxidados y sulfuros secundarios, cuya transformación en cobre metálico, ocurre mediante el proceso de electro obtención (EW, electrowinning), y (ii) la etapa final del procesamiento de minerales sulfurados primarios, mediante el proceso de electro refinación (ER). El cobre electrolítico es producido en cátodos metálicos, el cual es el formato principal en que se comercializa el cobre en el mundo.
Los procesos electrolíticos (EW y ER) ocurren al interior de celdas electrolíticas, en las cuales se insertan los electrodos (ánodos y cátodos). Es posible definir el concepto de“celda electrolítica elemental”, como el conjunto conformado por una superficie anódica enfrentada a una superficie catódica, conectadas eléctricamente a través del electrolito contenido entre ellas. Así, las celdas electrolíticas industriales están conformadas por múltiples celdas electrolíticas elementales, en que los ánodos se conectan a una barra común (también denominada barra ínter celdas), a través de la cual se conecta el polo positivo de la fuente de corriente continua, y los cátodos a otra barra común (otra barra ínter celdas), a través de la cual se conecta el polo negativo de la fuente de corriente continua.
En las plantas industriales de electroobtención y electrorefinación, las celdas se agrupan y se conectan eléctricamente en serie a una fuente eléctrica de corriente continua, usualmente un transformador rectificador, que produce la corriente continua necesaria para que el cobre disuelto en el electrolito se deposite en los cátodos. La corriente continua, ingresa al electrolito desde de los ánodos, mediante un proceso de oxidación de moléculas de agua, de la que está conformado el electrolito, por el cual se genera oxigeno gaseoso, que escapa hacia la superficie, y protones (H+) que actúan como portadores eléctricos iónicos; provocando a su vez y simultáneamente, que el cobre se deposite en los cátodos, mediante un proceso de reducción, a una tasa que está determinada por la intensidad de la corriente continua.
El electrolito que circula al interior de las celdas de electro obtención, es una solución iónica compuesta por: agua, ácido sulfúrico, en una concentración en torno a 180 [gr/lt] y cobre, en una concentración de 30 a 50 [gr/lt] para el proceso de EW; denominándose, usualmente, electrolito rico al electrolito entrante y electrolito pobre al electrolito saliente de las celdas, pues el proceso de electrodepositación disminuye la concentración de cobre. El electrolito que circula al interior de las celdas de electro refinación, presenta concentraciones un poco mayores, entre 40 y 60 [gr/lt] y, en este caso, el electrolito saliente de las celdas tiene una concentración mayor que la concentración del electrolito entrante, debido a que el proceso de depositación es una cascada del proceso de disolución, por tanto, la tasa de depositación (masa/unidad de tiempo) de cobre en los cátodos, debe ser menor que la tasa disolución de los ánodos. Para controlar la concentración de cobre, las plantas de electro refinación, disponen de grupos de celdas de electroobtención auxiliares, las cuales controlan la elevación de la concentración de cobre.
Los ánodos para los procesos de electroobtención industriales son, en su gran mayoría, láminas de plomo con una barra de cobre soldada en la arista superior, la cual opera como soporte mecánico, en que uno de sus extremos opera de borne de conexión a la barra ínter celdas y, en que el otro, es un simple soporte mecánico (borne inerte). Sobre la superficie de plomo sumergida en el electrolito y energizada con corriente continua, se forma un recubrimiento de dióxido de plomo, el cual cataliza la reacción de oxidación del agua. Los ánodos de plomo tienen espesores entre 6 y 9 [mm] de plomo, para ánodos nuevos, lo que va disminuyendo en el transcurso de la vida útil de los ánodos, pues el proceso de oxidación del agua es agresivo químicamente, por la generación de protones (alto pH local), como agresivo mecánicamente, por la permanente formación de burbujas de oxígeno gaseoso. Debido a esto, se observa que los ánodos de plomo no son dimensionalmente estables. Para resolver esto, se han desarrollado tecnologías que propenden a proveer ánodos dimensionalmente estables (DSA), en base a láminas o mallas rectangulares de titanio, recubiertas por óxidos de metales nobles, que en conjunto con un efecto de disminución del sobre potencial anódico, generan una alternativa interesante para reemplazar los ánodos de plomo. La estructura de malla rectangular otorga al proceso una mejora a la circulación del electrolito.
Para el proceso de electro refinación, los ánodos están conformados como planchas rectangulares de cobre impuro, en espesores del orden de 40 [mm], en ánodos recién sembrados, y que, a consecuencia del proceso de oxidación, se van disolviendo y aportando el cobre al electrolito, para luego depositarse en el cátodo, mientras, una parte de las impurezas precipitan en el fondo de la celda, conformando el barro anódico.
Los cátodos para los procesos de electroobtención y electrorefinación, pueden estar conformados como cátodos permanentes o como láminas iniciales. Los cátodos permanentes, están conformados como láminas de acero inoxidable con una barra de cobre soldada a su arista superior, que opera de soporte mecánico y de borne de conexión a la barra ínter celdas, que se insertan sin cobre y, posteriormente, luego de un periodo de depósito que varía entre cuatro y siete días, dependiendo de la densidad de corriente continua aplicada, se retiran con cobre metálico adherido en ambas caras; por su parte, las láminas iniciales de cobre, las cuales son producto de un proceso previo que las produce para este efecto, son sembradas en la celda. Sobre estas láminas iniciales, entonces se va depositando cobre, el que es cosechado luego de un determinado tiempo. Tanto el proceso de oxidación, que ocurre en la superficie anódica, como el proceso de reducción de cobre, que ocurre en la superficie catódica, no son espontáneos, por lo que requieren el aporte de energía para superar la barrera energética definida por la naturaleza (química y termodinámica), para que ambas reacciones ocurran simultáneamente, en el sitio de reacción comprendido por las interfaces electrodo - electrolito. En este sitio de reacción, se observa aglomeración de iones a la espera de energía necesaria para reaccionar. Entendiéndose el término“aglomeración”, como el aumento local de la concentración de especies, a diferencia del término “concentración”, definido como la proporción de una especie respecto del total del electrolito.
En torno a la superficie catódica se aglomeran protones (H+), debido a que éstos requieren una energía superior a la energía requerida por los iones de cobre para reducirse. Un fenómeno similar, de gran aglomeración de protones, ocurre en la vecindad de la superficie de los ánodos, en donde éstos se generan a partir de la oxidación del agua. Como es sabido, las aglomeraciones de cargas eléctricas, generan campos y potenciales eléctricos (y viceversa), cuyas intensidades y valores están determinados mediante relaciones matemáticas estrictas (leyes de Maxwell), de manera que una aglomeración de iones (protones y otras especies iónicas) generará un alto campo eléctrico el que, a su vez, provocará una elevada diferencia de potencial eléctrico.
La diferencia de potencial eléctrico que se observa, desde el seno del electrolito hasta los electrodos, se denomina sobre potencial del electrodo, por lo tanto, existen sobrepotenciales anódicos y sobrepotenciales catódicos. Los sobrepotenciales se suman al potencial termodinámico para determinar el consumo de energía de los procesos de electroobtención y electrorefinación. Así, la aglomeración de protones y otras especies iónicas, en la interfaz catódica, condiciona, en gran medida, el sobre potencial catódico, como también un elevado campo eléctrico, el cual, a su vez, determina“el clima” en que se produce la reducción de iones de cobre, fenómeno que, en lugar de producirse mediante transferencia de cargas, en este clima tiende a producirse mediante ruptura dieléctrica. Sin embargo, y gracias a otra consecuencia de la gran aglomeración de iones en las interfaces, es que éstas presentan un comportamiento capacitivo, por lo cual resulta posible inyectar corriente alterna de frecuencia alta, desde los electrodos hacia el electrolito, sin interferir ni necesitar de los procesos de oxidación y reducción; la corriente continua necesita y determina procesos de oxidación y reducción para circular por las soluciones iónicas, pero, por el contrario, la corriente alterna no los necesita, pues es posible inyectar corriente alterna mediante: (a) polarización de la interfaz capacitiva y (b) mediante la generación de movimiento oscilatorio de los iones en la vecindad de la interfaz. Este hecho resulta de importancia fundamental, pues la corriente alterna de determinada frecuencia y hacia arriba (pasa altos), provee movilidad iónica controlable, en función de la intensidad de corriente alterna, a los iones en la vecindad de los electrodos, el cual es un efecto similar al efecto que tiene la elevación de la temperatura del electrolito, que promueve el fenómeno de difusión de los iones, que tiene como resultado de proceso, la disminución de las aglomeraciones de protones o iones libres en las interfaces.
Una descripción más detallada de estos fenómenos es presentada en las memorias descriptivas de las solicitudes de patente de invención INAPI 3315-2013 y 1 14-2018, pero dado que no es el objetivo de esta presentación ahondar en la explicación detallada de estos fenómenos, sí podemos afirmar que la existencia de grandes aglomeraciones de iones (especialmente protones) en la vecindad de los electrodos, permite la inyección de corriente alterna que, sobre determinada frecuencia, resulta adecuada para la relajación de los fenómenos de transporte que ocurren en la vecindad de los electrodos.
El ARTE PREVIO
El arte previo relativo al invento, se circunscribe al invento descrito en la solicitud de patente de invención INAPI 114-2018, pues los inventos anteriores a este documento, abordan la superposición de corriente alterna para grupos de celdas y no se refieren a la circulación de corriente alterna al interior de las celdas.
La solución propuesta en la solicitud INAPI 1 14-2018, por su parte, constituye un cambio radical respecto del enfoque de los inventos y soluciones anteriores, proponiendo la implementación de una fuente de corriente alterna para una celda, cuya capacidad de corriente debe ser dimensionada para excitar sólo una cara de cada electrodo, de manera que el problema de diseño e implementación de la fuente de corriente alterna, se simplifica dramáticamente.
EL PROBLEMA TÉCNICO Todos los inventos anteriores están orientados a resolver el problema técnico -no menor- de superponer corriente alterna de frecuencia adecuada al proceso; sin embargo, en ninguno de los inventos anteriores se plantea, ni mucho menos se resuelve, el problema técnico que implica que la corriente alterna inyectada circule de forma homogénea y controlada y por donde es útil al proceso, es decir, desde la superficies anódicas hacia las superficies catódicas enfrentadas y a través del electrolito circulante entre ellas. La constatación de este hecho, devela un nuevo problema técnico, que no estaba descrito, ni tampoco resuelto, en la solicitud 1 14- 2018, ni menos aún en los inventos anteriores.
A saber, la corriente continua circula desde la cara de los ánodos y luego, a través del electrolito hacia la cara de los cátodos, a consecuencia de que la fuente eléctrica está firmemente conectada en los bornes de los ánodos, en su polo positivo, y en los cátodos, en su polo negativo, de manera que, las líneas de campo eléctrico y la corriente continua circulan, desde cada electrodo hasta los electrodos consecutivos, exclusivamente (figura 1 ). Por el contrario, lo que se propone en la solicitud de patente INAPI 114-2018, es conectar la fuente de corriente alterna en los bornes extremos de la celda, confiando en que la amplia cara de los electrodos, obligará a que la corriente alterna circule, de cada electrodo al siguiente, sin considerar que los electrodos intermedios no están firmemente conectados a los bornes de la fuente de corriente alterna y sin considerar tampoco, las eventuales barreras o los caminos alternativos que tiene la corriente alterna. Es posible afirmar que, en el escenario planteado en la solicitud 1 14-2018, la corriente alterna circula en toda su intensidad, sólo por los electrodos conectados firmemente a la fuente, que son los electrodos extremos de la celda. El hecho de que los electrodos intermedios no estén conectados firmemente a la fuente, permite que la corriente alterna tenga la posibilidad de tomar caminos alternativos, los cuales son los siguientes:
(i) El circuito eléctrico alternativo, constituido por los bornes de los electrodos y las barras ínter celdas, que de ser requerido, puede ser interrumpido mediante el seccionamiento de las barras equipotenciales, tal como propone la tecnología OPTIBAR. Sin embargo, la superposición de corriente alterna, cuya frecuencia sea mayor a 10 [KHz], mitiga de forma casi absoluta la fuga por las barras ínter celdas, pues a tales frecuencias o superiores, la inductancia de los caminos es suficientemente alta para eliminar el problema. En este aspecto, la frecuencia tiene un rol importante, pues a mayor frecuencia de la fuente, menos fugas de corriente alterna.
(ii) El circuito eléctrico alternativo, conformado por el electrolito que rodea las aristas de los electrodos, que está conformado por el electrolito desde las aristas verticales de los electrodos hasta la cara interior de la celda y, principalmente, el electrolito del fondo de la celda, el cual es un espacio aun mayor, pues en éste se instalan, usualmente, los sistemas de distribución del electrolito y, a su vez, sirve como depósito de borra o barro anódico.
(iii) Un ejemplo paradigmático de este nuevo problema técnico, no planteado previamente ni menos aún resuelto, lo constituye el hecho de que en los ánodos conformados como malla, la corriente alterna tenderá a circular por los orificios de la malla, en lugar de los electrodos, sin alterar el comportamiento de éstos, limitando el beneficio en los ánodos.
(iv) En el caso convencional, la gravedad de los cortocircuitos está controlada por la resistencia de los contactos y por la estrechez del camino de los cortocircuitos (desarrollos dendríticos). La probabilidad de ocurrencia de cortocircuitos, disminuirá con la aplicación del invento, pero sin duda seguirán existiendo, a causa de irregularidades del proceso de siembra y por irregularidades de la geometría de electrodos. En un escenario hipotético y sin pérdida de generalidad, consideremos que la proporción de corriente que circula, desde la superficie de un electrodo hacia la superficie de su electrodo consecutivo, es del 99% y que el 1% restante se constituye como corriente de fuga, entonces, luego de circular a través de 10 electrodos, la corriente del décimo electrodo será un 9% menor a la del primer electrodo. Así las cosas, luego de 30 electrodos, la corriente alterna habrá disminuido un 30% respecto de la corriente del primer electrodo. Existe entonces, un fenómeno de“propagación y amplificación del pequeño error de proceso”, cuya causa es la larga secuencia de interfaces por las que debe circular la corriente alterna y que ocasiona que una pequeña proporción de corriente de fuga signifique una pérdida total de la regularidad del proceso. Evidentemente, la tasa de propagación del error no será pareja, debido a que hay dos electrodos extremos en los que se conecta la fuente y, desde ellos, hasta el centro del grupo. La gráfica de la intensidad de corriente alterna presentará una forma parecida a una función coseno hiperbólico u otro similar (figura 3.1 Y 3.2). En el proceso convencional sin corriente alterna superpuesta, aun cuando existen otras irregularidades relevantes como cortocircuitos ánodo-cátodo, electrodos desconectados (o mal conectados) y/o fallas mecánicas de los electrodos, tales como fracturas de soldadura entre la barra y la placa del electrodo, la corriente continua que circula desde las superficies anódicas hasta las catódicas, está determinada por el fenómeno modelado y estudiado por la cinética electroquímica y que puede ser expresado mediante gráficas en el plano V-l (plano tensión-corriente). Según esto, los sobrepotenciales en la vecindad de la superficie de los electrodos, son función creciente de la intensidad de corriente continua, así, si por un área determinada de superficie electródica circula más corriente, entonces el sobre potencial aumenta. En el contexto en que los electrodos están conectados en paralelo, las tensiones deben ser iguales, de manera que la existencia de sobrepotenciales actúa como mecanismo de control de la intensidad de la corriente continua. En la práctica, la distribución de corriente continua en las superficies electródicas, está determinada por un divisor de corriente con impedancias resistivas (objetos en el plano V-l). A condiciones similares de concentración, temperatura y flujo o movilidad del electrolito, la distribución de corriente entre los electrodos será pareja; por tanto, la irregularidad de la distribución de corriente entre electrodos está determinada principalmente por las condiciones del electrolito ya mencionadas.
El problema técnico se hace notar cuando se pretende implementar una tecnología, que aparte de una amplia gama de otros beneficios, interviene directamente los mecanismos de transporte de iones, de manera que, la influencia de control de distribución de corriente, que ejercen los sobrepotenciales, se ve disminuida. Por esto, resulta fundamental controlar la irregularidad de la corriente que circula en las superficies electródicas, pues una irregularidad en la distribución de la corriente alterna amplificará las irregularidades propias de la distribución de corriente continua.
En la operación de procesos industriales, resulta de primera importancia promover la regularidad de los procesos. Por ello, es fundamental generar una metodología o sistema que promueva la homogeneidad de la intensidad de la corriente alterna por los caminos que resultan beneficiosos para el proceso, minimizando, a su vez, la propagación de los efectos de las irregularidades locales a grupos mayores de electrodos. En definitiva, el problema técnico a resolver, consiste en cómo implementar la superposición de corriente alterna, de intensidad alta y controlada, con frecuencia superior a 5[KHz], sobre la corriente continua, que circula desde las superficies anódicas hasta las superficies catódicas, en celdas electrolíticas que contienen múltiples ánodos y cátodos intercalados, tanto para procesos de electro obtención como para procesos de electro refinación de cobre y otros metales, mitigando el efecto de variabilidad de la corriente alterna en las superficies de los electrodos, producto de la circulación por los caminos alternativos y mitigando la propagación de la variabilidad de la intensidad de la corriente alterna, producto de defectos de proceso locales, el cual se evidencia, al conectar una fuente de corriente alterna en los electrodos extremos de la celda, produciendo una distribución de corriente alterna en los electrodos que presenta una alta variabilidad, similar al gráfico 1 de la figura 3.
EL INVENTO
El invento, objeto de esta solicitud de patente de invención, propone resolver el problema técnico interrumpiendo la continuidad, mediante la instalación de láminas dieléctricas, del camino de fuga principal de la corriente alterna, definido por las aristas de los electrodos y las caras interiores de la celda. De esta manera, la corriente alterna es forzada, cada cierto número reducido de electrodos, a fluir, en alta proporción de su intensidad máxima, por las superficies de éstos (figura 4), obteniéndose una distribución de intensidades de corriente alterna en los electrodos, semejante a la mostrada en el gráfico 3 o 4 de la figura 3. La incorporación de láminas separadoras interviene el circuito hidráulico de la celda, por lo que el invento se hace cargo de este hecho proponiendo dos alternativas de implementación las cuales son: administrar el flujo, como flujos en paralelo, o administrar el flujo, como flujo en serie, resolviendo el problema técnico planteado.
El invento se constituye entonces como un sistema para superponer corriente alterna, de intensidad alta y controlada y de frecuencia superior a 5 [KHz], sobre la corriente continua, que circula desde las superficies anódicas hasta las superficies catódicas, en celdas electrolíticas que contienen múltiples ánodos y cátodos intercalados, para procesos de electro obtención o electro refinación de cobre y otros metales, caracterizado por proveer:
(i) fuente de corriente alterna, (ii) láminas que dividen la celda en grupos consecutivos de electrodos consecutivos y, eventualmente:
(iii) canal de distribución de electrolito entrante y
(iv) canal de evacuación de electrolito saliente; de manera que la corriente alterna, generada por la fuente de corriente alterna, es forzada, por las láminas dieléctricas, a circular en alta proporción, desde la superficie de cada electrodo de la celda hasta la superficie de su electrodo consecutivo, a través del electrolito contenido entre los electrodos, incluyendo a todos los electrodos de la celda, pues las láminas cortan el camino de fuga de la corriente alterna; mientras, simultáneamente, la corriente continua circula desde las superficies de los ánodos hasta la superficie de los cátodos y, mientras, simultáneamente también, el electrolito entrante fluye: (i) en el caso de implementación con circuito hidráulico de flujos paralelos, desde el canal de distribución de electrolito entrante, por el espacio entre los electrodos, hasta el canal de evacuación de electrolito saliente y por esta vía hasta el cajón de salida o sumidero de la celda; (ii) en el caso de implementación con circuito hidráulico de flujo en serie, por el espacio entre los electrodos confinados entre láminas, desde el primer hasta el último grupo de electrodos, por el orificio, practicado para este fin, en las láminas que separan a los grupos de electrodos consecutivos, hasta el cajón de salida o sumidero de la celda, y en que, el número de láminas dieléctricas y el número de electrodos confinados al interior del espacio determinado entre láminas, y en que la geometría del orificio de circulación de electrolito entre grupos consecutivos de electrodos consecutivos, se determinan mediante la proporción de corriente de fuga u otro parámetro estadístico de la distribución de intensidad de corriente alterna en los electrodos que es tolerable para el proceso.
El invento, que reformula el sistema de circulación del electrolito y que restringe el camino de fuga de corriente alterna por el entorno de las aristas de los electrodos, resuelve un problema técnico que aparenta ser completamente del ámbito eléctrico, con una metodología completamente hidráulica.
APLICACIÓN INDUSTRIAL
Las fuentes de corriente alterna, pueden ser fácilmente implementadas como inversores que generan corriente de la frecuencia adecuada para el proceso. Una característica importante, que debe ser considerada en el diseño de estas fuentes, es que, aun cuando la corriente a ser inyectada en los grupos de celda es relativamente alta (sobre 200 [Arms]), la potencia activa que requiere el proceso es prácticamente nula, pues la corriente alterna circula por los capacitores de las interfaces y por el electrolito, el cual tiene una conductividad eléctrica muy alta, debiendo entonces suministrar únicamente la potencia de las pérdidas en: los elementos de la fuente, en los conductores y en los elementos de conexión.
Es usual implementar las fuentes que producen alta corriente alterna, pero que consumen baja potencia activa, mediante tanques resonantes. En el caso de fuentes que deban suministrar alta corriente alterna, pero con muy baja tensión y muy baja potencia activa, resulta más conveniente, implementarlas mediante transformadores eléctricos con una o unas pocas espiras en su devanado secundario. En nuestro caso, esta implementación, mediante transformadores eléctricos, resulta especialmente atractiva, pues la frecuencia sobre 5 [KHz], es especialmente adecuada para la correcta operación de transformadores con núcleo de aire.
Las fuentes compuestas por: un convertidor AC/DC o por un convertidor DC/DC, un inversor de baja corriente y un transformador con una espira en el devanado secundario, resultarán ser muy robustas y de bajo costo, siendo fácilmente adaptables para operar en las condiciones ambientales y geométricas, que caracterizan a los procesos electrolíticos industriales. Los transformadores eléctricos, pueden ser implementados con devanados primarios y secundarios espirales planos, así como también pueden ser implementados con un devanado secundario tubular (una espira) y un devanado primario, inserto en su interior. En ambos casos, las implementaciones de los transformadores cumplirán con ser robustos, de geometría mínima y de muy bajo costo (figura 7).
La utilización de transformadores eléctricos, como método para amplificar corriente, debe considerar que la conexión de éstos, sólo puede ser efectuada en bornes equipotenciales, es decir, entre electrodos del mismo tipo (entre ánodos o entre cátodos) y nunca entre electrodos de distinto tipo, pues en este caso, la conexión del devanado secundario del transformador ocasionará un cortocircuito. Para subsanar este hecho, y en caso de que se considere pertinente conectar electrodos de distinto tipo, es posible conectar el devanado secundario del transformador, a través de un condensador que compense la diferencia de potencial de los electrodos y que, a su vez, permita el paso de la corriente alterna. En este caso, siempre el condensador deberá contar con protección de sobre corriente o cortocircuito, ya sea protección fusible, termo magnética o de otro tipo, pues la capacidad de cortocircuito de una celda electrolítica es muy alta. La conexión en ánodos extremos de la celda, puede ser efectuada como una unión apernada, practicando perforaciones a la barra superior de los ánodos, particularmente, para el proceso de electroobtención en que los ánodos son fijos, o mediante la utilización de conectores rápidos que se conectan al extremo superior de las planchas de cobre. Evidentemente, este invento no resuelve el problema técnico de la fuga de corriente alterna por los orificios de ánodos conformados como malla, pues el camino de fuga está, en este caso, precisamente en la cara del electrodo, en mucha mayor medida que en sus aristas y resulta absurdo ocluir los orificios de la malla. En al caso de aplicar esta solución en procesos de electro obtención con ánodos conformados como malla, el beneficio de la aplicación se restringirá al beneficio catódico.
El invento parece ser especialmente apto para ser aplicado en plantas de electroobtención con ánodos tipo lámina. En el caso de procesos de electrorefinación, el sistema de distribución de electrolito de las celdas, debe ser de muy bajo flujo y, la eventual instalación de un canal de distribución de electrolito entrante en el fondo, removerá el barro anódico o, peor aún, podría quedar sepultado o cubierto por barro anódico. En este caso, parece adecuado el sistema METTOP, que introduce un sistema de distribución de electrolito, a un nivel intermedio de la celda, con un canal de distribución de electrolito, dispuesto lateralmente, generándose una implementación en flujos paralelos.
Los canales de distribución del electrolito entrante o manifolds y los canales de evacuación, pueden ser fabricados de láminas de fibra de vidrio u otro material dieléctrico (aislante eléctrico), de bajo costo y resistente a la condición de alta agresividad química (acidez) que está presente en las celdas electrolíticas. Tanto los canales de distribución del electrolito entrante como los canales de evacuación, pueden ser complementados con boquillas para aumentar el largo de camino y aumentar la resistencia al camino de fuga, minimizando aún más las corrientes de fuga que pudieran circular por el electrolito al interior de los canales de distribución de electrolito entrante o al interior de los canales de evacuación.
Los canales de distribución del electrolito entrante pueden ser conformados como un tubo o varios tubos o cañerías con perforaciones, o por cuerpos de diversa forma geométrica, en particular, como una canalización rectangular y dotados de perforaciones de salida, practicadas directamente en la superficie o boquillas instaladas en tales perforaciones. Es posible también, introducir sistemas de instrumentación para monitorear el desempeño del circuito hidráulico, incluyendo flujómetros para medición y/o actuadores para regulación de flujo. Las láminas separadoras pueden estar conformadas, en su totalidad, de material dieléctrico, caso en el cual, la conexión eléctrica de corriente alterna debe ser efectuada utilizando conectores metálicos que unan los electrodos extremos de los grupos de electrodos consecutivos, caso en el cual se desperdician las superficies externas de los electrodos extremos o, por el contrario, las láminas separadoras pueden estar conformadas, en el borde, de material dieléctrico y en la parte central, por la lámina que constituye un electrodo.
Respecto del montaje de las láminas o velos de material dieléctrico para dividir el circuito hidráulico de la celda, podemos mencionar que, éstos pueden ser instalados tal como se instalan en la actualidad los burletes en las aristas de los cátodos, usualmente llamados“cubre bordes”, pero, en este caso, parece más conveniente instalarlos en los ánodos, los cuales, en los procesos de electroobtención, están fijos al interior de la celda. Para el caso de los procesos de electro refinación, parece adecuado instalar los velos adosados a los cátodos, ya sean permanentes (láminas de acero inoxidable) o láminas iniciales de cobre, previo a la siembra y retirarlos luego de la cosecha. También es posible, tanto para procesos de electroobtención, como para procesos de electrorefinación, instalar los velos separadores del circuito hidráulico de la celda, en perfiles guía conformados como perfiles C, U, V u omega, soportados en una estructura o bastidor permanente que está instalado previamente i o a la instalación de los electrodos y que, determinan las posiciones físicas de los electrodos, tal como se describe en la solicitud de patente INAPI 2341 -2006, también denominada tecnología SELE, que se ha aplicado en plantas de electroobtención de cobre. También es posible incorporar los velos o la estructura de sujeción de éstos como parte del diseño estructural de las celdas.
Otra alternativa es rediseñar la gran celda electrolítica de uso actual y reemplazarla por un conjunto de celdas con un número reducido de electrodos. En este caso, es posible efectuar la conexión eléctrica de la corriente alterna, entre electrodos extremos de pares de celdas consecutivas, mediante un conductor metálico, lo cual tiene el efecto de desperdiciar las superficies externas de los electrodos extremos de cada celda. De este modo, la lámina dieléctrica separadora es parte estructural de las celdas.
En el caso de implementar el sistema de flujos de electrolito en serie, se obtiene una ventaja extra, la cual es una consecuencia de que el flujo específico del electrolito será mucho más alto, de manera que el beneficio del invento será mayor, pues incluirá el beneficio de la agitación eléctrica y el beneficio de un alto flujo específico. En este caso, es conveniente que los orificios o boquillas por los cuales circula el electrolito, entre grupos consecutivos de electrodos consecutivos, se ubiquen alternadamente en las esquinas contrarias de la sección transversal de la celda, de manera de garantizar la circulación del electrolito por el espacio entre los electrodos y evitar las zonas muertas o de baja circulación.
Una ventaja interesante que presenta el invento, al implementar grupos consecutivos de electrodos consecutivos, es que mejora la distribución de tiempos de residencia (DTR) de volúmenes diferenciales de electrolito al interior de la celda, pues esta distribución depende de la escala del reactor. Esto es especialmente importante en celdas de mayor volumen en que, a consecuencia del aumento del tiempo de residencia del electrolito y a un empeoramiento de las condiciones de la movilidad del electrolítico, se presentan zonas muertas, con baja o nula movilidad del electrolito lo cual genera un deterioro de la calidad del cobre producido. Este problema técnico es posible resolverlo con este invento, mejorando el desempeño de los procesos electrolíticos en tales celdas, o en celdas de gran volumen, como las que se utilizan para la producción de Zinc. En este caso, también parece natural incorporar una bomba de impulsión de electrolito local, de manera de aumentar el flujo del mismo.
El número de celdas, velos o láminas separadoras del circuito hidráulico de la celda, va a depender de algún parámetro estadístico de la función de distribución de la corriente alterna en los electrodos. Una idea de esto puede ser obtenida por la simple observación de la figura 3, en que, en los casos 1 y 2, la distribución de corriente alterna presenta una gran dispersión y, en los casos 3 y 4, la distribución mejora notablemente, al aumentar el número (o frecuencia) de velos o láminas separadoras.
En caso de instalar una fuente de corriente alterna para dos o para varias celdas, al igual que en la solicitud INAPI 1 14-2018, basta con instalar y conectar un capacitor entre cada par de celdas consecutivas, así, el condensador permitirá la circulación de la corriente alterna, manteniendo una tensión equivalente a la diferencia de tensión entre las celdas. Dado que las celdas electrolíticas están también acopladas a un circuito de alta corriente continua, y que además tienen una alta energía acumulada, resulta conveniente y necesario, que en estos casos, tanto la fuente de corriente alterna, como el o los capacitores, estén equipados con protección de sobre corriente y/o cortocircuito, ya sea protección fusible o termo magnética. Es posible que una conexión en serie no resulte conveniente económicamente, pues, el costo de un banco de condensadores y sus fusibles asociados, probablemente sean bastante más costosos que implementar una fuente alterna por celda.
Tal como fue mencionado, en el enunciado del problema técnico, el circuito eléctrico de fugas, constituido por los bornes de los electrodos y las barras ínter celdas, del sistema de alimentación y distribución de la corriente continua, de ser requerido, puede ser interrumpido mediante el seccionamiento de las barras ínter celdas o equipotenciales.
EXPLICACIÓN DE FIGURAS
FIGURA 1 : Vista en planta del aspecto de las líneas de campo eléctrico continuo, en un grupo de electrodos consecutivos que contiene tres ánodos y dos cátodos consecutivos y que es alimentado con corriente continua desde los ánodos hacia los cátodos. Las líneas de campo eléctrico, conectan a cada electrodo con ambos electrodos que son consecutivos, exclusivamente.
FIGURA 2: Vista en planta del aspecto de las líneas de campo eléctrico alterno, en un grupo de electrodos consecutivos que contiene tres ánodos y dos cátodos consecutivos y que es alimentado con corriente continua desde los ánodos hacia los cátodos y con corriente alterna desde el primer ánodo hasta el último ánodo del grupo. Se observan líneas de campo eléctrico que conectan a cada electrodo con todos y cada uno de los otros electrodos del grupo, lo que implica que la corriente alterna también circula entre la superficie interior de la celda y las aristas de los electrodos.
FIGURA 3: Gráfica de intensidad de corriente en los electrodos de celda EW típica de 60 cátodos y 61 ánodos: caso en que no se aplica el invento (1 ), caso en que se aplica el invento en grupos de electrodos conformados por 10 cátodos y 1 1 ánodos (2), caso en que se aplica el invento en grupos de electrodos conformados por 5 cátodos y 6 ánodos (3) y caso en que se aplica el invento en grupos de electrodos conformados por 2 cátodos y 3 ánodos (4). En los casos 1 y 2, la distribución de corriente presenta una gran irregularidad y en los casos 3 y 4, la regularidad de la distribución mejora notablemente, producto de la aplicación del invento.
FIGURA 4: Esquema del invento en una celda electrolítica, en vista de sección transversal (A) y en vista de sección longitudinal (B), que incluye los siguientes elementos: fuente de corriente continua (5), fuente de corriente alterna (6), conectada en ánodos (7) y cátodos (8), líneas de flujo de electrolito (35), velos o láminas dieléctricas (21 ) para canal de distribución de electrolito entrante (lateral) (33) y un canal de evacuación (34), acometida de electrolito a la celda (13), salida de electrolito de la celda (14), manifold principal de electrolito entrante (11 ) y manifold principal de electrolito saliente (12).
FIGURA 5: Esquema del invento en una celda electrolítica, en vista de sección longitudinal de implementación con flujos en serie (B) y en vista de sección longitudinal de implementación con flujos en paralelo (C), que incluye los siguientes elementos: fuente de corriente alterna (6), conectada en ánodos (7) y cátodos (8), láminas dieléctricas (16) canal de distribución de electrolito entrante (17) y un canal de evacuación (18), acometida de electrolito a la celda (13), salida de electrolito de la celda (14), manifold principal de electrolito entrante (1 1 ) y manifold principal de electrolito saliente (12). FIGURA 6: Esquema del invento para implementaciones en que las láminas separadoras (16) incluyen toda la superficie de la sección transversal de la celda, de manera que la conexión eléctrica de corriente alterna entre electrodos extremos de grupos consecutivos de electrodos consecutivos, se efectúa mediante un conductores metálicos (19), para el caso en que este tipo de implementación se efectúa al interior de una celda (D) y para el caso en que la implementación se efectúa con celdas separadas estructuralmente (E).
FIGURA 7: Transformadores eléctricos con núcleo de aire implementados en estructura cilindrica con una espira secundaria y un devanado primario con múltiples espiras dispuestas al interior, con bornes de conexión perpendiculares al cuerpo cilindrico (9) y con bornes de conexión paralelos al cuerpo cilindrico (10).
FIGURA 8: Ejemplos de láminas separadoras conformadas como láminas dieléctricas en el borde y como ánodos (7) (también podrían ser cátodos) en el centro: para canal de distribución en el fondo de la celda y un canal de evacuación bifurcado (20), para canal de distribución lateral y canal de evacuación lateral (21 ), para implementación con flujos en paralelo y con orificios para circulación de electrolito inferior (22) y superior (23), en el caso de implementación de flujos en serie. FIGURA 9: Ejemplos de láminas separadoras, en el caso de que éstas incluyen toda la superficie de la sección transversal de la celda y no están adosadas a electrodos: para canal de distribución en el fondo de la celda y un solo canal de evacuación (24), para canal de distribución lateral y canal de evacuación lateral (25), para implementación con flujos en paralelo y con orificios para circulación de electrolito inferior (26) y superior (27), en el caso de implementación de flujos en serie.
FIGURA 10: Propuesta de instalación y conexión de fuente de corriente alterna a ánodos (7) extremos: transformador cilindrico con núcleo de aire (10), tablero de fuente inversor (28) y conductor laminar (29). FIGURA 1 1 : Propuesta de circuito hidráulico con un canal de distribución de electrolito entrante en el fondo de la celda (30) y canal bifurcado (31 ) con vista de sección transversal (ampliada) y vista isométrica que incluye: ánodo (7) con lámina separadora adosada (20), un canal de distribución de electrolito entrante al fondo de perfil rectangular (30), boquillas (32), canal de evacuación bifurcado (31 ), cajón de salida de celda y sumidero de electrolito pobre (15).
FIGURA 12: Propuesta de circuito hidráulico con un canal de distribución de electrolito entrante lateral (33) y canal de evacuación lateral (34), con vista de sección transversal (ampliada) y vista isométrica que incluye: ánodo (7) con lámina separadora adosada (21 ), un canal de distribución de electrolito entrante lateral de perfil rectangular (33), boquillas (32), canal de evacuación lateral (31 ), cajón de salida de celda y sumidero de electrolito pobre (15)

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema para superponer corriente alterna, de intensidad alta y controlada y de frecuencia superior a 5 [KHz], sobre la corriente continua que circula desde las superficies anódicas hasta las superficies catódicas en celdas electrolíticas que contienen múltiples ánodos y cátodos intercalados, para procesos de electro obtención o electro refinación de cobre y otros metales, caracterizado por proveer: (i) fuente de corriente alterna, la cual se conecta en el primer y en el último electrodo de la celda, (ii) láminas que separan grupos consecutivos de electrodos consecutivos, (iii) canal de distribución de electrolito entrante y (iv) canal de evacuación de electrolito saliente; de manera que la corriente alterna generada por la fuente de corriente alterna es forzada a circular en alta proporción, desde la superficie de cada electrodo de la celda hasta la superficie de su electrodo consecutivo, a través del electrolito contenido entre los electrodos, incluyendo a todos los electrodos de la celda, pues las láminas dieléctricas, cortan el camino de fuga de la corriente alterna; mientras, simultáneamente, la corriente continua circula desde las superficies de los ánodos hasta la superficie de los cátodos y mientras, simultáneamente también, el electrolito entrante fluye desde el canal de distribución de electrolito entrante, por el espacio entre los electrodos, hasta el canal de evacuación de electrolito saliente, y por esta vía hasta el cajón de salida o sumidero de la celda; y en que el número de láminas dieléctricas y el número de electrodos confinados al interior del espacio determinado entre láminas, se determinan mediante la proporción de corriente alterna de fuga u otro parámetro estadístico de la distribución de intensidad de corriente alterna en los electrodos que es tolerable para el control del proceso.
2. Un sistema para superponer corriente alterna, de intensidad alta y controlada y de frecuencia superior a 5 [KHz], sobre la corriente continua que circula, desde las superficies anódicas hasta las superficies catódicas, en celdas electrolíticas que contienen múltiples ánodos y cátodos intercalados, para procesos de electro obtención o electro refinación de cobre y otros metales, caracterizado por proveer: (i) fuente de corriente alterna, la cual se conecta en el primer y en el último electrodo de la celda, (ii) láminas, las cuales tienen un orificio para la circulación de electrolito y que dividen a la celda en grupos consecutivos de electrodos consecutivos; de manera que, la corriente alterna generada por la fuente de corriente alterna, es forzada a circular en alta proporción, desde la superficie de cada electrodo de la celda hasta la superficie su electrodo consecutivo, a través del electrolito contenido entre los electrodos, incluyendo a todos los electrodos de la celda, pues las láminas dieléctricas, cortan el camino de fuga de la corriente alterna; mientras, simultáneamente, la corriente continua circula desde las superficies de los ánodos hasta la superficie de los cátodos y mientras, simultáneamente también, el electrolito fluye desde cada grupo de electrodos, hasta el grupo de electrodo consecutivo, por el espacio entre los electrodos de cada grupo de electrodos, desde el primer grupo de electrodos, por el orificio practicado para este fin en la lámina que aísla a grupos de electrodos consecutivos, hasta el último grupo de electrodos y desde ahí, hasta el cajón de salida o sumidero de la celda; y en que el número láminas dieléctricas y el número de electrodos confinados al interior del espacio determinado entre láminas y en que la geometría del orificio de circulación de electrolito entre grupos consecutivos de electrodos consecutivos, se determinan mediante la proporción de corriente alterna de fuga u otro parámetro estadístico de la distribución de intensidad de corriente alterna en los electrodos que es tolerable para el control del proceso.
3. Un sistema de acuerdo a la reivindicación 1 y 2, caracterizado porque las barras ínter celdas, del sistema de alimentación y distribución de corriente continua, están seccionadas en un determinado número de secciones, de manera que el camino de la corriente alterna de fuga, constituido por los bornes de los electrodos y por las barras ínter celdas, es interrumpido por los cortes practicados en las barras ínter celdas y en el que el número de cortes en que estas barras ínter celdas son seccionadas, el número de láminas y el número electrodos confinados al interior del espacio determinado entre láminas, se determinan mediante la proporción de corriente alterna de fuga u otro parámetro estadístico de la distribución de intensidad de corriente alterna en los electrodos que es tolerable para el control del proceso.
4. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 2 y 3, caracterizado porque la corriente alterna que circula por los electrodos, es provista por una fuente que contiene un transformador eléctrico por cuyo devanado secundario circula la corriente de intensidad alta que se inyecta a los electrodos de la celda y cuyo circuito primario, está conformado por múltiples espiras y se encuentra conectado a un inversor.
5. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 2 y 3, caracterizado porque la fuente de corriente alterna que circula por los electrodos, contiene un circuito resonante, que genera a la salida, la corriente de alta intensidad, que se inyecta a los electrodos de la celda y cuya entrada es una corriente alterna de menor intensidad que es producida por un inversor.
6. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 2, 3, 4 y 5, caracterizado porque las láminas que dividen la celda electrolítica en grupos consecutivos de electrodos consecutivos, están conformadas, en el borde, por láminas dieléctricas adosadas a las aristas sumergidas de ánodos y en el centro están conformadas por la lámina que constituye a los ánodos.
7. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 2, 3, 4 y 5 caracterizado porque las láminas que dividen la celda en grupos consecutivos de electrodos consecutivos, están conformadas, en el borde, por láminas dieléctricas sujetas a las aristas sumergidas de cátodos permanentes o láminas iniciales, y en el centro están conformadas por la lámina que constituye el cátodo, los cuales son instalados previo a la siembra y retirados luego de la cosecha.
8. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 2, 3 ,4 y 5 caracterizado porque las láminas que dividen la celda en grupos consecutivos de electrodos consecutivos, están conformadas, en el borde, por láminas dieléctricas que están sujetos a perfiles, C, U, V u omega, los cuales, a su vez, están sujetos a una estructura o bastidor que está instalado previamente a la instalación de los electrodos y que determinan las posiciones físicas de los electrodos y, en el centro, están conformadas por la lámina que constituye el electrodo.
9. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 2, 3 ,4 y 5, caracterizado porque las láminas que dividen la celda en grupos consecutivos de electrodos consecutivos, están conformadas, en el borde, por láminas dieléctricas que están sujetos a perfiles, C, U, V u omega, los cuales, a su vez, están sujetos o forman parte de la estructura de la celda y que determinan las posiciones físicas de los electrodos y, en el centro, están conformadas por la lámina que constituye el electrodo.
10. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 2, 3 ,4 y 5 caracterizado porque las láminas que dividen la celda en grupos consecutivos de electrodos consecutivos, están conformadas por láminas dieléctricas que cubren toda la superficie de la sección transversal de la celda y no están adosados a las aristas de los electrodos extremos de cada grupos de electrodos consecutivos, de manera que la conexión eléctrica para la corriente alterna entre electrodos extremos de grupos consecutivos de electrodos consecutivos, se efectúa mediante conductores metálicos.
1 1. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 2, 3 ,4 y 5 caracterizado porque las láminas que dividen la celda en grupos consecutivos de electrodos consecutivos, incluyen toda la superficie de la sección transversal de la celda y forman parte estructural de la celda y no están adosados a los electrodos extremos de grupos de electrodos consecutivos, de manera que la conexión eléctrica de corriente alterna entre electrodos extremos de grupos consecutivos de electrodos consecutivos, se efectúa mediante conductores metálicos.
12. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 1 1 , caracterizado porque las láminas que dividen la celda en grupos consecutivos de electrodos consecutivos, tienen varios orificios de menor sección, en lugar de un gran orificio, para circulación de electrolito entre grupos consecutivos de electrodos consecutivos.
13. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 1 1 , caracterizado porque las láminas que dividen la celda en grupos consecutivos de electrodos consecutivos, incluyen boquillas instaladas en perforaciones practicadas en la lámina dieléctrica, de manera de que la resistencia del camino de electrolito sea alta y así la corriente alterna de fuga que circula entre grupos consecutivos de electrodos consecutivos sea reducida.
14. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 1 1 , caracterizado porque el electrolito ingresa a la celda por un canal de distribución de electrolito entrante instalado en el fondo de la celda.
15. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 1 1 , caracterizado porque el electrolito ingresa a la celda por un canal de distribución de electrolito entrante adosado a una de las caras longitudinales interiores verticales de la celda.
16. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 1 1 , caracterizado porque el canal de evacuación está ubicado en la parte superior de la celda, en el espacio entre las aristas verticales de los electrodos y una cara interior longitudinal vertical de la celda, y evacúa el electrolito saliente por el cajón de salida o sumidero de la celda.
17. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 1 1 , caracterizado porque el canal de evacuación está bifurcado en dos canales ubicados en la parte superior de la celda, en el espacio entre las aristas verticales de los electrodos y las caras interiores longitudinales verticales de la celda, los cuales se unen y evacúan el electrolito saliente por el cajón de salida o sumidero de la celda.
18. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 1 1 , caracterizado porque el canal de evacuación está ubicado en el espacio entre las aristas verticales de los electrodos y una cara interior longitudinal vertical de la celda, y evacúa el electrolito saliente por el cajón de salida o sumidero de la celda.
19. Un sistema de acuerdo a las reivindicaciones 1 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 1 1 , caracterizado porque el canal de distribución de electrolito entrante, inyecta el flujo de electrolito a través de boquillas instaladas en perforaciones practicadas en los elementos que lo conforman, de manera de que la resistencia del camino de electrolito sea alta y así la corriente alterna de fuga que circula por el canal de distribución de electrolito entrante sea reducida.
20. Un sistema de acuerdo a la reivindicación 1 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 1 1 , caracterizado porque el canal de evacuación recibe el flujo de electrolito, a través de boquillas instaladas en perforaciones practicadas en los elementos que lo conforman, de manera de que la resistencia del camino de electrolito sea alta y así la corriente alterna de fuga que circula por el canal de evacuación de electrolito sea reducida.
21. Un sistema de acuerdo a la reivindicación 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 ,12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 y 20, caracterizado porque la fuente eléctrica provee corriente alterna a dos o más celdas electrolíticas conectadas en paralelo en el circuito de corriente continua, de manera que la conexión eléctrica entre los electrodos extremos de las celdas en paralelo, se efectúa mediante conductores metálicos.
22. Un sistema de acuerdo a la reivindicación 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 ,12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 y 20, caracterizado porque la fuente eléctrica provee corriente alterna a dos o más celdas consecutivas, en serie en el circuito de corriente continua, incluyendo bancos de condensadores que soportan la diferencia de tensión entre pares de celdas y en que cada condensador cuenta con protección de cortocircuito o sobre corriente de tipo fusible o termo magnética.
23. Un sistema de acuerdo a la reivindicación 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 ,12, 13,
14, 15, 16, 17, 18, 19 y 20, caracterizado porque la fuente eléctrica que provee corriente alterna a los electrodos de la celda, está compuesta por dos o más fuentes de corriente alterna, cuyos los bornes se conectan a grupos consecutivos de electrodos consecutivos.
PCT/CL2019/050099 2018-10-17 2019-10-16 Sistema para inyectar corriente alterna en celdas electrolíticas, que comprende láminas que separan los electrodos de la celda en grupos WO2020077479A1 (es)

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EP3072993A2 (en) * 2013-11-19 2016-09-28 Hecker Electrónica Potencia Y Procesos S.A. Method of superimposing alternating current on direct current for methods for the electrowinning or electrorefining of copper or other products, in which the alternating current source is connected between two consecutive cells of the electrolytic cell group using an inductor for injecting alternating current and a capacitor for closing the electric circuit
CL2018000114A1 (es) * 2018-01-15 2018-05-11 Robledo Juan Pablo Bustos Sistema para inyectar corriente alterna en los electrodos extremos de celdas electrolíticas, de manera que la corriente alterna circula en serie desde el primer hasta el ultimo electrodo y desde un el electrodo mientras la corriente continua circula en paralelo desde los ánodos a los cátodos

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CL2018000114A1 (es) * 2018-01-15 2018-05-11 Robledo Juan Pablo Bustos Sistema para inyectar corriente alterna en los electrodos extremos de celdas electrolíticas, de manera que la corriente alterna circula en serie desde el primer hasta el ultimo electrodo y desde un el electrodo mientras la corriente continua circula en paralelo desde los ánodos a los cátodos

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