MEMORIA DESCRIPTIVA PROBLEMA TÉCNICO

En la industria del cobre se utilizan rectificadores de corriente eléctrica para producir cobre que se encuentra disuelto en electrolito circulante (figura N°2). La corriente eléctrica generada por los rectificadores provoca el depósito del cobre disuelto en el electrolito sobre la superficie del cátodo que, según la ley de Faraday, es proporcional a la corriente, obteniéndose como resultado, cobre metálico de alta pureza. Sin embargo, el proceso de depositación, presenta restricciones en cuanto a la capacidad de depositar cobre en el cátodo, pues es un hecho demostrado que el aumento arbitrario de la densidad de corriente en los electrodos, genera deterioro de calidad química y física del cobre depositado. Actualmente, en instalaciones industriales se trabaja con densidades de corriente del orden de 300 a 400 [A/m2]. Si se aumenta el nivel de corriente, se obtiene un incremento en la producción, pero a costa de severos problemas de calidad. En los procesos de electroobtención (EW) y electrorefinación (ER) clásicos, las variables de control del proceso metalúrgico son la concentración de cobre, el flujo y la temperatura del electrolito. El aumento de la temperatura mejora la movilidad local de los iones, y el flujo y la concentración aumentan la disponibilidad de iones para reaccionar. Las plantas industriales de EW cobre que producen cobre a con densidades de corriente superiores a 300 [A/m2] conservando buena calidad físico química del depósito, operan a temperaturas superiores a 45[°C], flujos superficiales elevados del orden de 2.2[lt / min / m2] y concentraciones de cobre del orden de 45 [gr/lt], con el elevado costo operacional que esto significa; lo cual es razonable si la valoración internacional del cobre es alta, sin embargo en escenanos de valoración medios y bajos, un elevado costo operacional resulta crítico para la continuidad operacional de la planta.

En el caso de las plantas de ER de cobre, la densidad de corriente está aún más restringida por el fenómeno de pasivación de los ánodos, por lo que típicamente se restringen a trabajar a densidades de corriente inferiores a 320 [A/m2] y aun así deben operar a temperaturas sobre 60 [°C] para conservar la calidad del depósito. El flujo tampoco es una variable disponible en las plantas de ER, pues un aumento en el flujo produce agitación del barro anódico que contamina la proporción inferior de los cátodos producidos.

Aunque no es nuestro objetivo el estudio detallado del fenómeno de la electrodepositación, ni de los fenómenos que ocurren en la interfaz electrodo- electrolito denominada "doble capa electroquímica", resulta necesario mencionar que en el modelamiento de la doble capa electroquímica se descubren tal como su nombre lo indica, dos capas de electrolito perfectamente diferenciadas y que tiene comportamiento distinto: la capa interior o de Helmholtz y la capa exterior o capa difusa (figura N°3).

Al interior de la capa de Helmholtz ocurre el fenómeno complejo de la transformación de cobre en solución a cobre metálico. Debido a la gran acumulación de iones, a una distancia tan pequeña, "esperando" ser depositados, la capa de Helmholtz puede ser modelada de manera sencilla como un condensador compuesto por una placa metálica (el electrodo) y otra placa no metálica consistente en la elevada concentración de iones en el electrolito, conectado en paralelo con una impedancia de característica resistiva que representa el consumo de energía necesario para trasformar iones en solución metálicos en átomos en la red cristalina metálica del cátodo (reducción del cobre) (figura N°4).

La capa difusa por su parte, se caracteriza por una concentración de iones que varía desde la vecindad de la capa de Helmholtz hasta la concentración típica del seno de la solución. Descontando la capa de Helmholtz, desde la capa difusa al seno de la solución, ocurren fenómenos de transporte de iones que son migración a causa del campo eléctrico aplicado y difusión a causa de las variaciones de concentración. Para mejorar estos fenómenos de trasporte, existen actualmente, una serie de tecnologías, como son "air sparging" que consiste en la inyección de aire al electrolítico lo que genera mejoras hidrodinámica en la vecindad de los electrodos y la tecnología EMEW que implementa, en la práctica, una operación con extra alto flujo; esta tecnología es, sin embargo inaplicable a producción masiva de cobre, debido al alto costo de su implementación, estando restringida al tratamiento de soluciones marginales. El efecto de este tipo de tecnologías está restringido por la viscosidad del electrolito que impide que la agitación mecánica ejercida desde el electrolito hacia los electrodos se acerque a la zona de reacción que es la doble capa electroquímica

Existe, sin embargo, la posibilidad de "agitar" eléctricamente el electrolito mediante la variación de la corriente que ingresa a las celdas electrolíticas, mediante la superposición de una corriente alterna sobre la corriente continua del proceso de electrodepositación clásico; utilizando como medio de transporte de corriente eléctrica alterna, el condensador de la capa de Helmholtz. La placa metálica de este condensador (el electrodo), soporta grandes variaciones de carga superficial pues es un conductor metálico, por el contrario las variaciones de carga eléctrica en la placa no metálica de este condensador, generará necesariamente variaciones en la distribución de iones al interior de la solución, pues los iones ocupan un espacio físico dentro de la solución, es decir, la superposición de corriente alterna, genera movimiento de iones en la vecindad de la interfaz electrodo- electrolito, y más precisamente en la capa difusa (figura N°5). Se implementa de esta manera, una verdadera "bomba hidráulica" que moviliza iones en la vecindad del electrodo, lugar al que los métodos de agitación mecánica no alcanzan, debido a la viscosidad de la solución.

Un aspecto a destacar, es que si esta agitación se efectúa a una frecuencia suficientemente alta, el condensador de Helmholtz, soportará grandes variaciones de carga sin grandes variaciones de tensión pues su capacitancia es extremadamente elevada. De esta manera, el fenómeno de transformación de iones en solución a iones integrados a la red cristalina metálica ocurre de la misma manera que en el proceso clásico, pero con una gran mejora en la calidad de los fenómenos de transporte en la vecindad del electrodo hacia la solución. La frecuencia adecuada para la agitación de la interfaz por superposición de corriente alterna a la corriente del proceso clásico, es determinable por métodos de ensayo de espectroscopia de impedancia, resultando frecuencias en el intervalo de 5 a 10 [KHz]. A frecuencias más bajas se corre el riesgo de interferir con la operación de la fuente de corriente continua (el transformador rectificador) y a frecuencias más altas, la eficiencia de los sistemas de generación de corriente alterna disminuye drásticamente.

En definitiva, el problema técnico a resolver consiste en cómo implementar el proceso de superposición de corriente alterna sobre la corriente continua para procesos EWy ER en celdas electrolíticas industriales. ESTADO DEL ARTE

En la actualidad, todas las estrategias que se han propuesto para implementar la superposición de corriente alterna sobre la corriente continua se han restringido a conectar la fuente de corriente alterna en paralelo en el mismo punto de conexión que utiliza la fuente de corriente continua o entre puntos de subgrupos de celdas quedando de esta manera, la fuente de corriente alterna, expuesta a tensiones continuas. Aparte de esto, las distintas propuestas son variaciones de la fuente, variaciones del bus de conexión, variaciones de la estructura de las celdas y/o mezclas de las variaciones ya mencionadas, tal como se presenta en la figura N°6. En el caso del invento de Groóle, (US 2,026,466) de 1935, podemos comentar que es un regulador de carga, para que el consumo potencia desde la fuente primaria de alimentación sea aproximadamente constante. El proceso o dispositivo altera la característica de corriente que alimenta a la carga, pero que no regula potencia. Este invento cae en la categoría presentada en la figura N°6.c aun cuando en esa fecha ni siquiera existían transformadores rectificadores.

En el caso del invento de Lewis, (US 2004/021 1677 A1 ) de 2004, El invento Lewis propone una nueva fuente como en la figura N°6.b. Por esta fuente circula todo el flujo de proceso. La corriente continua y también la corriente alterna. En el caso del Invento de Mathews (US 2007/0272546 A1 ) La aplicación del invento de Mathews implica cambiar y desechar las fuentes de corriente continuas actualmente operativas; cambiar y desechar todo el bus de barras conexión entre la fuente de corriente continua y las caldas electrolíticas; cambiar y desechar toda la estructura de celdas electrolíticas actuales. Todo lo cual debe ser reemplazado por equipamiento nuevo y no estandarizado para la producción industrial.

En el caso de nuestro invento (INAPI 0817/2007), se propone incluir un dispositivo que sustrae, acumula y devuelve energía del grupo de celdas electrolíticas en forma consecutiva, como en figura N°6.d; de esta manera se genera la corriente alterna para superponer a la corriente continua, sin la necesidad de alterar la instalación original. Esta solicitud, fue aprobada en Australia, Sudáfrica y Estados Unidos. En estados Unidos fue dividida en dos patentes, una de las cuales reivindica al proceso de generación de corriente alterna mediante sustracción, acumulación y devolución consecutiva y la otra reivindica el dispositivo que efectúa las etapas del proceso; ambas patente están concedidas. En Chile aún se encuentran en trámite, pero con informe pericial positivo.

En el caso del invento de Lagos (INAPI 0969/2009) se propone dos posibilidades de implementar dos vanantes de dispositivos similares y con filosofía similar a la propuesta por Bustos en 0817/2007, aunque sin incluir condensadores de acumulación, pues se postula en este invento, que la función de estos condensadores puede ser reemplazada por grupos o subgrupos de celdas electrolíticas. En nuestra opinión esta estrategia es inaplicable industrialmente pues dadas las dimensiones de las plantas electrolíticas industriales, los conductores de conexión tendrían inductancias que son incompatibles con la operación de dispositivos como transistores IGBT, como los que se muestran en la figura N°6.e y N°6.f, que son representativos de esta solicitud.

Del análisis anterior, se desprende que el invento propuesto en esta ocasión que se representa esquemáticamente en la figura N°6.g, en que la fuente de corriente alterna que es conectada en un inductor que se incluye como parte del invento, es diferente a los inventos y solicitudes de patentes mostrados anteriormente pues el punto de conexión representa un punto de cero tensión eléctrica, respecto de la fuente de corriente continua. A continuación se detalla el invento.

SOLUCIÓN PROPUESTA

La solución propuesta consiste en cambiar el punto de conexión de la fuente de corriente alterna por un punto entre dos celdas consecutivas cualquiera de las que se encuentran conectadas eléctricamente en serie, en particular el punto de conexión óptimo que se propones es entre las celdas intermedias de cualquier circuito típico de celtas para ER o EW. La incorporación de la fuente alterna debe estar acompañada por la incorporación dos componentes pasivas: un inductor y un condensador. (Figura N°1 ) El Inductor

El inductor, que se conecta en serie con las celdas, actúa como filtro de corriente alterna y como medio conducción de corriente continua (cerrando el circuito para que circula la corriente continua); es posible interpretar que el inductor incluido opera como "inductancia de magnetización" tal como opera la inductancia de magnetización en los tranform adores eléctricos; soportando tensión eléctrica alterna con un mínimo de circulación de corriente alterna, pero en este caso además, actuando como un cortocircuito para la corriente continua. El valor de la inductancia del inductor incorporado se determina de manera que la corriente en el inductor, sea despreciable a la frecuencia de operación de la fuente de corriente alterna. El Condensador

El condensador, que se conecta en paralelo a todo el grupo de celdas y en paralelo a la fuente de corriente continua; tiene como funciones actuar como medio de conducción de corriente alterna, cerrando el circuito eléctrico y además filtrar cualquier componente de corriente alterna que eventualmente pudiere traspasarse hacia la fuente de corriente continua. El valor de la capacidad del capacitor incorporado se determina de manera que la variación de tensión en el capacitor, a consecuencia de la circulación de corriente alterna, sea despreciable a la frecuencia de operación de la fuente de corriente alterna. Debe considerarse que el condensador estará expuesto a la tensión impuesta por la fuente de corriente continua sobre el grupo de celdas electrolíticas, en este sentido el condensador debe estar conectado con fusibles para despejar eventuales fallas eléctricas.

La Fuente de Corriente alterna

La fuente de corriente alterna puede ser implementada con cualquiera de las tecnologías disponibles. La frecuencia de operación de esta fuente debe estar en el rango definido entre 5 y 10 [KHz] como ya fue mencionado en la presentación del problema técnico). La intensidad de la corriente generada por esta fuente estará ligado al valor de la intensidad de la corriente continua impuesto por la fuente de corriente continua. APLICACIÓN INDUSTRIAL

Sustento Teórico

Desde el punto de vista teórico, este invento es una aplicación paradigmática del principio de superposición de corrientes, en que ambas fuentes operan de forma independiente. Se observa también, la aplicación del principio de dualidad entre inductores que acumulan energía en forma de campo magnético y condensadores que acumulan energía en forma de campo eléctrico; de hecho, el inductor es un cortocircuito para la corriente continua y un circuito abierto para la corriente alterna de alta frecuencia y por el contrario, el condensador es un coortocircuito para la corriente alterna y un circuito abierto para la corriente continua. Resulta evidente también, que el sistema incluyendo los elementos clásicos y los elementos propuestos en este invento, tiene una respuesta de frecuencia característica.

Disponibilidad de Componentes Industriales

En la actualidad existen componentes físicas para implementar este tipo de fuentes de alta corriente y alta frecuencia manera segura, sin embargo el hecho de que la conexión pueda ser efectuada en un punto de "cero tensión", como es el punto entre dos celdas, facilita notablemente el diseño de las protecciones de la fuente, pues esta no estará expuesta a la tensión impuesta por la fuente de corriente continua al grupo de celdas electrolíticas sino por el contrario, será ella la que impondrá una tensión alterna al inductor que es en la práctica un cortocircuito para la corriente impuesta por la fuente de corriente continua, todo esto gracias a la innovación propuesta.

Tecnología de Fuentes de Calentamiento por Inducción

Dada la intensidad y la frecuencia de la corriente que debe suministrar la fuente de corriente alterna, resulta conveniente utilizar diseños similares a los usados en las fuentes de calentamiento por inducción magnética utilizadas para forja, extrusión, tratamientos superficiales y/o para fundir metales. En general estas fuentes son diseñadas usando principios de resonancia para amplificar corriente eléctrica. Normalmente estas fuentes operan a frecuencias en el el rango de 250[Hz] a 10[KHz] y con niveles de corriente entre 1 a 10[KA], por lo que toda la tecnología desarrollada para diseñar y fabncar fuentes de alta corriente y alta frecuencia para calentamiento por inducción magnética, resultará aplicable para diseñar y fabncar fuentes para superponer corriente alterna sobre la corriente impuesta por las fuentes de corriente continua para EW y ER de cobre y otros productos, todo esto gracias a la innovación propuesta. Uso de Transformadores y Autotransformadores

Un caso particular de implementación del proceso de superposición de corriente alterna se da en el caso de refinería electrolíticas (ER) en que una fuente de corriente continua alimenta a un elevado número de celdas conectadas en serie que se dividen en grupos para efectuar el proceso de cosecha y siembra parcial. En este caso cada grupo de celdas particular opera a una tensión reducida pues cada celda de electroredinación opera con tensiones del orden 250[mV], así, por ejemplo, un grupo de 40 celdas, presenta una tensión total de apenas 10[V]. Así se hace adecuado implementar una sola fuente de corriente alterna que alimente en paralelo a varios grupos de celdas, que están conectadas en serie con la fuente de corriente continua; mediante el uso de transformadores con aislamiento galvánico (figura N° 7). La bobina secundaria del transformador actuará de manera equivalente a una bobina, conduciendo la corriente continua y también inyectando corriente alterna.

En algunos casos, especialmente en plantas de pequeña escala, es factible hacer la conexión de la fuente de corriente alterna mediante un autotransformador de manera de que el diseño de la fuente de corriente alterna sea más barato y la corriente sea amplificada por un transformador o autotransformador de tensión secundaria más baja que la tensión primaria (figura N°8).

Implementación de Impacto Mínimo Desde el punto de vista de la implementación industrial, la tecnología propuesta en este invento, puede ser implementada con un mínimo impacto en la operación de la planta que originalmente operaba con el proceso EW o ER clásico, pues la instalación de las componentes puede ser efectuada prácticamente sin interrumpir la operación normal. Desde el punto de vista de las componentes del sistema, no es necesano modificar o reemplazar ninguna componente del sistema original: la fuente de corriente continua (el transformador rectificador) permanece inalterada y su operación no sufre interferencia una vez que empieza a operar la fuente de corriente alterna. La estructura de las celdas electrolíticas tampoco sufren modificación alguna ni en la instalación, ni en la operación de la nueva fuente de corriente alterna.

Operación del Transformador Rectificador

Como ya fue mencionado, la operación del transformador rectificador no es impactada de manera alguna ni por la instalación ni por la operación de la fuente de corriente alterna, debido a que en cada circuito de celdas electrolíticas en el que se implemente la superposición de corriente alterna; se debe instalar necesariamente un condensador que cierra el circuito de corriente alterna y que a su vez elimina cualquier componente de rizo en la tensión continua que impone el transformador rectificador. En la práctica, la incorporación del condensador, significa la implementación de un filtro LC visto desde el transformador rectificador hacia el grupo de celdas electrolíticos, en que "L" será la inductancia del bus de barras de conexión del transformador rectificador.

En este aspecto esta tecnología está diseñada para proteger al transformador rectificador, pues resulta muy claro que sigue siendo el equipo principal de las plantas de EW y ER de cobre y otros productos.

EXPLICACIÓN DE FIGURAS

Figura N°1: Esquema del invento propuesto: A la instalación original, se le agrega un inductor entre dos celdas consecutivas cualquiera; un condensador en paralelo con la fuente de corriente continua y una fuente de corriente alterna conectada en los bornes de la bobina recién instalada entre dos celdas consecutivas.

Figura N°2: Situación en que se desarrolla actualmente el proceso de electroobtención o electrorefinación de cobre y otros productos: la corriente del rectificador es continua e ingresa a la nave electrolítica. La fuente de corriente continua es un transformador rectificador.

Figura N°3: Esquema de la doble capa electroquímica compuesta por la capa interior o de Helmholtz y la capa exterior o capa difusa. Los sectores individualizados son: (a) el interior del electrodo metálico; (b) la capa interior o de Heimholtz; (c) la capa difusa y (d) el seno de la solución.

Figura N°4: Modelo eléctrico de la capa de Heimholtz como un condensador en paralelo con un elemento resistivo que modela el consumo de energía necesario para transformar iones en solución a átomos en una red cristalina metálica. Los sectores individualizados son: (a) el interior del electrodo metálico; (b) la capa interior o de Heimholtz modelada como un banco de condensadores y un elemento resistivo que representa el consumo de energía para transformar iones disueltos en la solución en átomos en la red cristalina metálica ; (c) la capa difusa y (d) el seno de la solución.

Figura N°5: La bomba hidráulica que se genera al superponer corriente alterna sobre la corriente continua del modelo clásico: Una variación en la carga de la placa metálica del electrodo, provoca necesariamente le movimiento de iones en la solución en la dirección perpendicular a la superficie del electrodo. Los sectores individualizados son: (a) el interior del electrodo metálico, en cuya superficie se acumulan cargas en un espacio de ancho mínimo pues es un conductor metálico; (b) la capa interior o de Heimholtz modelada como un banco de condensadores y un elemento resistivo que representa el consumo de energía para transformar iones disueltos en la solución en átomos en la red cristalina metálica ; (c) la capa difusa en que se produce agitación de los iones en solución en el sentido del campo eléctrico impuesto por la corriente superpuesta y (d) el seno de la solución.

Figura N°6: Esquema alternativos de implementación de superposición de corriente alterna a corriente continua: (a) representa la situación original de las plantas EW típicas; (b) representa una implementación en que se cambia la fuente de corriente continua original por una completamente nueva con capacidad de entregar corriente superpuesta; (c) representa una implementación en la que se inserta una nueva fuente que modifica la corriente original superponiendo corriente de alta frecuencia, por lo que se debe modificar el bus de barras original por otro receptivo a la alta frecuencia de la corriente alterna; (d) representa la implementación de un proceso de generación de corriente por etapas de sustracción, acumulación y devolución sucesivas; (e) y (f), representan implementaciones similares a la mostrada en d, pero reemplazando el uso de condensadores de acumulación de energía por subgrupos de celdas electrolíticas; (g) representa el invento propuesto. Figura N°7: Esquema del invento propuesto especialmente adecuado para refinerías electrolíticas (ER): A la instalación original, se le agregan transformadores en el punto de conexión media y condensadores en paralelo en los puntos de conexión de la fuente de corriente continua. Se utiliza una fuente de corriente alterna para varios grupos de celdas electrolíticas. Figura N°8: Esquema del invento propuesto especialmente adecuado para plantas pequeñas (EW): A la instalación original, se le agrega un autotransformador en el punto de conexión media y un condensador en paralelo en el puntos de conexión de la fuente de corriente continua. Se utiliza una fuente de corriente alterna de baja corriente ya tensión alta conectada en el circuito primario del autotransformador.