CAMPO DE APLICACIÓN

La presente invención se relaciona con un sistema de ventilación mediante la aplicación de un flujo cruzado de aire de baja energía, que permite extraer los contaminantes generados por el proceso de electro-obtención de cobre u otros metales.

ANTECEDENTES

El proceso de electro-obtención de cobre u otros metales se basa en la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico sobre dos placas metálicas conductoras sumergidas en una solución denominada electrolito, donde el metal a obtener se encuentra en solución.

En el caso de la electro-obtención del cobre, la solución de sulfato de cúprico (CuSO4) proveniente de la lixiviación es introducida a una celda electrolítica, la que se compone de ánodos de plomo y cátodos de acero inoxidable. La celda descrita se esquematiza en la Figura 1 . Una fuente de poder (101 ) genera la diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo electroquímico (102) y el cátodo electroquímico (103). Al aplicar el potencial eléctrico, se produce la deposición de los iones metálicos en el cátodo electroquímico.

La reacción global que gobierna el proceso está dada por:

Cu ⁺² + H ₂ O → Cu ⁰ + ½ O ₂ + 2H ⁺ E° = -0,89 VENH

Producto del proceso de electro-obtención, el cobre es reducido en el cátodo en donde se deposita, mientras que se genera oxígeno gaseoso en el ánodo electroquímico en una reacción de oxidación.

El oxígeno en forma de burbujas (104) asciende hacia la superficie libre del electrolito, en donde la burbuja estalla produciendo aerosoles microscópicos (105), los que posteriormente son transportados por el movimiento del aire al interior de la nave. Este fenómeno es conocido como "neblina ácida", ya que en i nuestro caso las pequeñas gotas en suspensión tienen la misma composición del electrolito, conteniendo mayoritariamente ácido sulfúrico y sulfato de cobre en solución.

La neblina ácida es muy perjudicial, ya que los aerosoles viajan por el aire hasta el operador, produciendo la irritación de la piel, ojos, membranas mucosas, dientes y tracto respiratorio, ya que las gotas más pequeñas de neblina (del orden de los 20 pm) son difíciles de eliminar, llegando a los pulmones de los operarios sin modificación, pudiendo producir un gran daño en la salud, además de producir niveles altos de corrosión en el medio ambiente dañando la estructura de los edificios, afectando también la maquinaria de la planta; por lo que dichas emisiones están fuertemente reguladas por las entidades de salud y control ambiental (Capacitación Operación de Plantas de Electro Obtención, ENAMI - Planta Vallenar, Dr. Cristian Vargas R., Departamento de Ingeniería Química Universidad de Santiago de Chile).

El estado de la técnica actual para mitigar las emisiones de neblina ácida producto del proceso de electro-obtención de cobre u otros metales, presenta las siguientes soluciones: i) mitigación de emisiones desde la fuente emisora (celdas de electro-obtención) mediante el uso de agentes surfactantes (FC-1 100®, quillay, etc.) y uso de barreras mecánicas (bolitas de polipropileno), entre otras; ¡i) uso de campanas extractoras sobre las celdas (Campanas de Alta Energía SAME®, Sistema Outotec®); i¡¡) ventilación local sobre cada una de las celdas (sistema LateralVex®, sistema SELE®); iv) Ventilación mediante flujo de aire cruzado sobre las celdas (sistema DESOM®).

El artículo " Recommendations for the design of push-pull ventilation systems for open suríace tanks" (M. Robinson y D. B. Ingham) publicado el año 1996, hace referencia a la ventilación de superficies industriales abiertas a través del sistema push-pull, el cual se relaciona con la generación de flujo de aire desde un costado de la superficie a ventilar, y donde dicho flujo arrastra las emisiones procedentes de dicha superficie. Sin embargo, el mismo artículo señala que la implementación de esta solución no es recomendable para superficies grandes.

Una solución basada en los mismos principios del artículo anterior es la que describe el documento US462351 1 (A). Este documento divulga un sistema de ventilación para las instalaciones nucleares que comprende una pluralidad de toberas de aire situado por encima de la superficie del agua y dirigida a través de dicha superficie; un conducto conectado a dichas toberas, por lo menos una campana de recolección que tiene una pluralidad de aberturas en la misma posicionado por encima de dicha superficie y separada de dichas toberas. El sistema comprende además medios para extraer el aire a través de las aberturas de la campana para recoger el aire por encima de dicha superficie. La solución descrita está más bien relacionada con la ventilación de un canal y no de una superficie más extensa como lo sería una nave de electro-obtención.

Con respecto a la ventilación en naves de electro-obtención, el estado del arte describe algunas soluciones para esta aplicación. El artículo "Modeling the flow pattern of acid mist in a tank house" (A. Steiner y R. Kühn) publicado el 2005, describe la modelación de un sistema de ventilación de flujo cruzado donde el aire es conducido desde el exterior a través de celosías laterales, desde el espacio sobre las celdas por una línea de ventiladores y sacados del edificio. Unos inyectores de aire de alta velocidad inducen un flujo desde la superficie superior de las celdas y que lo llevan a los ventiladores para ser extraídos por la parte superior del edificio. Esta configuración permite la extracción de gas, sin embargo, existen zonas donde hay alta concentración de dicho gas que no puede ser sacada de la nave.

El documento US5855749 (A) describe un sistema de ventilación para una celda electrolítica que comprende un primer conducto que se extiende a lo largo de un lado de dicha celda, perpendicular a una pluralidad de placas de electrodo paralelas cuando dichas placas de electrodos están presentes; un ventilador para forzar el aire en dicho primer conducto; una pluralidad de aberturas espaciadas formadas en dicho conducto, donde dichas aberturas adaptada para enfrentar dicha solución electrolítica cuando dicha solución electrolítica se presenta, y posicionadas adyacentes para disponer una placa de electrodo. Las aberturas se posicionan para dirigir una corriente de aire a lo largo de cada superficie de dichas placas de electrodo. Un segundo conducto se extiende a lo largo de un lado de la celda, paralelo a dicho primer conducto, con una ranura alargada que se extiende a lo largo de dicho segundo conducto, dicha ranura enfrente de dicha aberturas y están en alineadas paralelamente con dichas aberturas; y un extractor de aire para crear una succión en dicho segundo conducto para extraer aire a través de dicha ranura. En este caso, la extracción del gas es local y no hay flujo cruzado que permite que dicha extracción sea extensible a todas las celdas, requiriendo que este sistema se instale en cada celda de forma individual. Por otra parte, este sistema no es capaz de remover las emisiones que escapan de las celdas de electro-obtención.

El sistema DESOM® resuelve la inyección de aire limpio a través de inyectores redondos ubicados en un costado de una nave de electro-obtención. Estos inyectores generan un flujo de aire cruzado sobre las celdas, el cual es extraído a través de ventiladores extractores ubicados en la pared opuesta de la nave. El flujo de aire extraído es conducido a través de un ducto hacia un equipo lavador que se encarga de remover la neblina ácida del flujo de aire antes de ser liberado hacia la atmósfera. Un arreglo de celosías se encarga de proveer el flujo de aire externo requerido para mantener el balance másico entre el aire total entrante y el aire extraído por los ventiladores.

PROBLEMA TÉCNICO

El estado del arte en sistemas de ventilación por flujo cruzado para naves de electro-obtención presenta las siguientes dificultades técnicas: i) los inyectores de aire que producen el flujo cruzado se encuentran separados entre sí, lo que genera recirculación del flujo de aire y/o zonas muertas (zonas con ventilación deficiente); ¡i) los inyectores de aire son simétricos, lo que conlleva a una incorporación de aire ambiente en forma también simétrica, lo que dificulta el proceso de separación entre el flujo de aire contaminado (justo sobre las celdas) y el resto del aire al interior de la nave; i¡¡) La extracción de aire a través de los ventiladores extractores no es homogénea, ya que los ventiladores generan un frente de extracción puntual, no homogéneo (el campo de velocidad decae rápidamente con la distancia desde los ventiladores), generándose lugares con ventilación deficiente; iv) los ventiladores están expuestos directamente al flujo de aire contaminado, el cual por su contenido corrosivo, disminuye la vida útil de los ventiladores Estos problemas conllevan a un flujo cruzado más desordenado y menos confinado verticalmente, lo que trae como consecuencia una mayor mezcla entre el aire sucio (justo sobre la celda) y el aire ambiente.

SOLUCIÓN TÉCNICA

Para solucionar los problemas antes descritos, se propone un sistema de ventilación por flujo de aire cruzado de baja energía para naves de electro- obtención de cobre y método de ventilación por flujo de aire cruzado de baja energía. La presente invención se relaciona con el sistema antes descrito y el método asociado.

El sistema comprende una pluralidad de inyectores primarios distribuidos en un arreglo para el suministro de aire a alta velocidad, los cuales están dispuestos sobre celdas de electro-obtención al interior de naves de electro-obtención. Dichos inyectores generen un campo de velocidad horizontal cruzado sobre las celdas. Un arreglo de inyectores secundarios o celosías que suministran aire a baja velocidad, se encarga de proveer un suministro de aire limpio, desde el exterior, para disminuir la incorporación de aire contaminado al flujo de aire arrastrado por los inyectores primarios. El flujo cruzado de aire obtenido permite transportar los contaminantes hacia un costado de la nave de electro-obtención, donde son extraídos a través de una pared lavadora, la cual tiene dos objetivos principales: i) imponer una extracción homogénea de los contaminantes al generar un pérdida de carga constante sobre toda su extensión, sin una succión puntual que genere zonas muertas; ¡i) sistema de lavado por la vía húmeda integrada a la pared, que permite la remoción de los contaminantes desde el flujo de aire, para su posterior descarga hacia la atmósfera.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La Figura 1 representa un esquema del proceso de electro-obtención de cobre y la formación de neblina ácida a través de la ruptura de burbujas de oxígeno en la superficie libre del electrolito en la celda de electro-obtención.

La Figura 2 representa un esquema de un sistema de ventilación de flujo cruzado del estado del arte. La Figura 3 representa un detalle del sistema de recolección de gases mediante ventiladores del sistema de ventilación de flujo cruzado del estado del arte.

La Figura 4 representa un esquema del sistema de ventilación de flujo cruzado de acuerdo a una modalidad de la invención.

La Figura 5 representa un detalle del sistema de recolección de gases del sistema de ventilación de flujo cruzado de acuerdo a una modalidad de la invención.

La Figura 6 representa una vista de un inyector plano sistema de ventilación de flujo cruzado de acuerdo a una modalidad de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La Figura 2 representa un sistema de ventilación mediante flujo cruzado utilizado actualmente. El sistema comprende la inyección de aire limpio a través de inyectores redondos (201 ) ubicados en un costado de la nave. Estos inyectores generan un flujo de aire cruzado sobre celdas electrolíticas (202) al interior de una nave de electro-obtención. Este flujo de aire cruzado es extraído a través de una pluralidad de ventiladores extractores (203) ubicados en la pared opuesta de la nave. El flujo de aire extraído es conducido a través de un ducto (204) hacia un equipo lavador (205) que se encarga de remover la neblina ácida del flujo de aire antes de ser liberado hacia la atmósfera. Un arreglo de celosías (206) se encarga de proveer el flujo de aire externo (207) requerido para mantener el balance másico entre el aire total entrante y el aire extraído por los ventiladores. Este tipo de sistema presenta las siguientes dificultades técnicas: i) los inyectores de aire (201 ) que producen el flujo cruzado se encuentran separados entre sí, lo que genera recirculación del flujo de aire y/o zonas muertas (zonas con ventilación deficiente); ¡i) los inyectores de aire son simétricos, lo que conlleva a una incorporación de aire ambiente en forma también simétrica, lo que dificulta el proceso de separación entre el flujo de aire contaminado (justo sobre las celdas) y el resto del aire al interior de la nave; i¡¡) La extracción de aire a través de los ventiladores extractores (203) no es homogénea, ya que los ventiladores generan un frente de extracción puntual (208) no homogéneo, tal como se aprecia en la Figura 3 (campo de velocidad decae rápidamente con la distancia desde los ventiladores), generándose lugares con ventilación deficiente. Estos problemas conllevan a un flujo cruzado (209) más desordenado y menos confinado verticalmente, lo que conlleva a una mayor mezcla entre el aire sucio (justo sobre la celda) y el aire ambiente.

En referencia a la problemática presentada por este tipo de sistema, la presente invención se relaciona con un sistema de flujo cruzado que presenta diferencias con el sistema antes descrito, tal como se puede apreciar en las Figuras 4 y 5.

El sistema de la presente invención comprende: una pluralidad de inyectores (401 ) dispuestos en un arreglo, donde dichos inyectores corresponden al tipo jets planos. Dichos inyectores (401 ) se encuentran ubicados sobre celdas electrolíticas (402), generando un frente de ventilación más homogéneo que los inyectores redondos. Los inyectores (401 ) han sido modificados de tal forma que comprenden un plenum antes de la descarga y en su respectiva parte superior presentan una prolongación (601 ) en el sentido de eyección del flujo de aire (Figura 6). Esta prolongación permite encausar el flujo en el sentido horizontal y disminuir el aporte del aire que se encuentra sobre la posición de los inyectores (401 ), favoreciendo el arrastre de aire con neblina ácida desde la parte inferior de dichos inyectores, disminuyendo la mezcla con el aire más limpio ubicado sobre los inyectores.

Por otra parte, el arreglo de inyectores (401 ) modificados incorpora inyectores en puntos intermedios de la nave (403, 404, 405) que proporcionan mayor energía al flujo cruzado para así contrarrestar el empuje vertical generado por la convección natural de las celdas (402).

La extracción del aire contaminado se realiza a través de al menos una cámara extractora (406) que cubre toda la extensión de la pared opuesta al sentido del flujo generador por los inyectores (401 ), lo que permite una extracción más homogénea (407) comparado con sistemas que utilizan extracción directa mediante ventiladores o extractores discretos. Cada una de las cámaras extractoras (406) comprende al menos una rejilla (406a), ubicada en la entrada de cada cámara (406) y cuya función es disminuir la energía cinética del flujo que llega a la cámara (406) y disminuir las componentes de velocidad del flujo de aire que no son paralelas al flujo principal de entrada de la cámara. El aire contaminado es tratado mediante al menos un dispositivo lavador (408) de aire por vía húmeda, adosado a la pared posterior de la cámara extractora (406), formando parte integral de ésta. El dispositivo lavador (408) se encuentra ubicado aguas abajo de una pluralidad de ventiladores extractores (409). Cada uno de dichos ventiladores (409) se encuentra montado en su respectivo ducto de extracción (410). De este modo, se evita que los ventiladores (409) se encuentren expuestos directamente a un entorno contaminado, en donde estarían expuestos a corrosión, y consecuentemente, a una menor vida útil.

Finalmente, el aire limpio es descargado hacia el ambiente a través de los ductos o chimeneas de extracción (410). Desde el dispositivo lavador (408) se extrae agua de lavado con contaminante diluido, la cual es enviada a un estanque de recirculación (41 1 ), permitiendo su reutilización en el proceso de electro- obtención u otro proceso que lo requiera. Aguas arriba la ubicación de los inyectores planos (401 ) se dispone una pluralidad de inyectores secundarios o celosías (412), que permiten mantener el balance de flujo másico de aire entre el caudal total extraído y el aire fresco inyectado a la nave. Estos inyectores secundarios o celosías (412) se encuentran ubicadas a una altura tal que favorezcan la separación entre el aire contaminado, justo sobre la celda (402), y el aire del resto de la nave.