CONCENTRACIÓN DE NEBLINA ACIDA

MEMORIA DESCRIPTIVA

La presente invención está dirigida a la medición de neblina ácida, generada típicamente en procesos de electro deposición ("plating", "electrowinning") que impliquen el uso de ácido sulfúrico y un proceso electroquímico donde se generan micro burbujas de gas, las que al ascender a la superficie se rompen y generan microgotas de ácido sulfúrico bajo la forma de aerosol ("acid mist").

En particular, la invención está orientada a proveer un dispositivo para el monitoreo en línea de la concentración de neblina ácida, en procesos de electro-obtención de cobre. Se busca impactar positivamente en las condiciones de trabajo del personal de operación, la vida útil de equipos, los costos por mantención de estructuras y equipos. Proporcionará además, herramientas de gestión operacional para controlar la concentración de neblina bajo los límites permisibles, logrando así, incrementar la capacidad del proceso (producción de cátodos).

ESTADO DE LA TÉCNICA

En las plantas de electro-obtención de cobre, como condición no deseada se genera neblina ácida, que corresponde a un aerosol de ácido sulfúrico, nocivo para la salud de los operadores, la infraestructura y el medio ambiente. La concentración está sujeta a normas de acuerdo a cada país. En Chile, por ejemplo se establece el máximo de 3 mg/m y actualmente es medida por muéstreos fuera de línea (medición puntual con posterior análisis químico con norma OSHA 113 ó 121 ). Esta metodología de medición limita el control efectivo del ambiente de trabajo y pone en riesgo la salud de las personas, infraestructura y el cumplimiento de las regulaciones nacionales e internacionales.

Entre los efectos de la medición puntual de la concentración de neblina ácida, está el retardar las acciones de mitigación que puedan estar implementadas. De este modo, medidas como el uso de campanas de extracción y la dosificación de reactivos en la actualidad, tienen una aplicación desfasada o reactiva respecto a eventos de superación del límite permisible, volviéndose acciones tardías.

Solo en Chile hay al menos 17 plantas de EW (electro deposición, "electrowinning") de gran tamaño, con una cantidad estimada de 7500 celdas de EW, que no poseen tecnología para la medición en línea de neblina ácida. Además, se proyecta que las regulaciones ambientales en materia de su control serán de mayor exigencia. Hasta la fecha, la medición de neblina ácida se realiza por muéstreos puntuales y análisis químicos en laboratorio con un desfase de días. Alternativas a su medición son los dispositivos ópticos que originalmente fueron desarrollados para partículas, por tanto las mediciones están sesgadas por el polvo.

Actualmente en Chile no hay dispositivos comerciales para la medición continua. Mientras que en el campo de investigación relativo a la neblina ácida el foco ha estado instalado en la forma de reducirla (por ejemplo a través de: surfactantes, esferas, campanas de extracción, duchas rociadoras), sin considerar que para su monitoreo y control automático es indispensable medir en línea la concentración de neblina ácida.

En cuanto a las patentes o solicitudes en el campo técnico se hará referencia de los documentos US 3915646 y DE 2851761 . El primero está referido a una técnica propia de una instalación para medición puntual y el segundo enseña una disposición para análisis de gases en línea.

En US 3915646 se describe un método y medios para el análisis cuantitativo de gases que contienen ácido sulfúrico en forma de aerosol. La muestra de gas se contacta con la superficie expuesta de un medio acuoso para colectar el componente de ácido sulfúrico. La solución resultante se diluye con agua adicional y posteriormente se mide la conductividad eléctrica de la misma para la cuantificación del componente ácido.

En DE 2851761 se presenta un detector de trazas de sustancias volátiles en un gas portador, que comprende secciones para absorber, para separar fases y una celda de medición. Con este detector se mezcla el gas y un líquido (por ejemplo agua) para disolver las substancias formadoras de iones, mezcla que fluye por un tubo 1 hasta el separador de fases que comprende un tubo cobertor 4 con una conexión 7 para la salida de los gases y una varilla 8 para drenaje a continuación del tubo 1 . Se tiene entonces que la separación de las burbujas gaseosas contenidas en la mezcla gas-agua se lleva a cabo en el extremo inferior 6 del tubo 1 , donde posee un corte en diagonal. Luego el líquido a medir cae desde el extremo de la varilla 8 a una apertura 12 de un tubo capilar 10 que conduce hacia la celda de medición 13, configuración que está orientada a evitar la entrada de burbujas a la celda de medición. Además comprende una barrera líquida formada a partir del mismo rebalse del tubo capilar 10 para separar el ambiente en el separador de la atmósfera exterior.

Como en el ejemplo anterior buena parte de los dispositivos del estado del arte emplean medición de conductividad para evaluar contenido ácido. Sin embargo, se ha constatado que la medición de conductividad no es selectiva; en laboratorio los resultados son adecuados, pero en terreno los resultados no lo son pues existen otros iones presentes en el ambiente de electro obtención (EW) y los resultados presentan desviaciones que son difíciles de ajustan En este contexto, se presenta el desarrollo tecnológico asociado a un sensor en línea de neblina ácida, que permita habilitar un control continuo sobre las acciones de mitigación en plantas de electro obtención (EW). Un dispositivo que provea esta tecnología impactará positivamente las condiciones de seguridad, la continuidad de las operaciones, la salud de los trabajadores, entre otros.

Un requisito adicional es mejorar la frecuencia, normalmente un día con métodos convencionales, a una frecuencia de medición de 10 a 20 minutos entre medidas, a fin de proveer información suficiente para un control en línea de la neblina ácida.

El equipo opera en forma autónoma de 2 a 3 meses, después de este tiempo se debe hacer mantención y reemplazo de los contenedores con reactivos. El consumo de energía no supera los 2 kW. DESCRIPCIÓN GENERAL

La solución propuesta para el monitoreo en línea de la concentración de neblina ácida se basa en la medición directa de iones hidronio (pH) de un flujo descendente sustancialmente libre de burbujas de gas al interior de un tubo sifón. El flujo descendente medido corresponde a una solución líquida generada en un reactor en el cual el burbujeo de aire atmosférico, que contiene neblina ácida, permite a un volumen de agua absorber el ácido sulfúrico contenido originalmente en forma de neblina ácida en el aire atmosférico. La configuración del tubo de sifón al interior del reactor es tal que la apertura superior del tubo sifón queda sumergida bajo el nivel del agua en el reactor y el orificio inferior del tubo sifón también, estando en comunicación con el fluido al interior del reactor. En operación unos medios que producen las burbujas de aire desde la base del reactor posibilitan un flujo ascendente en el reactor y exteriormente al tubo sifón, lo que a la vez por las leyes de los fluidos induce un flujo descendente al interior del tubo sifón. El efecto necesario para la correcta medición de pH, de que el flujo al interior del tubo sifón esté libre de burbujas, se consigue mediante las apropiadas dimensiones relativas entre la apertura superior y el orificio inferior del tubo sifón. Tal como es descrito en las realizaciones preferidas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos que se acompañan representan las propiedades de la invención a partir de sus principales formas de realización. Se incluye las siguientes figuras:

Figura 1 : Representación esquemática del dispositivo para el monitoreo en línea de la concentración de neblina ácida de la presente invención.

Figura 2: Representación esquemática en corte del reactor de absorción de ácido y el tubo sifón en su interior, del dispositivo de la figura 1 , durante la operación de mezclado.

Figura 3: Representación esquemática en corte de una porción del reactor de absorción de ácido con el tubo sifón durante la medición de pH, en el dispositivo de la figura 1 .

Figura 4: Representación esquemática en corte del reactor de absorción de ácido y el tubo sifón durante el neutralizado, en el dispositivo de la figura 1 .

Figura 5: Representación esquemática en corte del reactor de absorción de ácido y el tubo sifón durante el restablecimiento de nivel, en el dispositivo de la figura 1 .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERENTES

La descripción siguiente es referida a la realización preferente mostrada en las figuras, sin limitar por ello el alcance de la invención, definido en el pliego de reivindicaciones. Por tanto, se incluyen las modalidades alternativas que surjan de simplificaciones de la misma, o de la aplicación de los mismos conceptos y elementos esenciales.

En la figura 1 se muestra una vista general de los componentes del dispositivo para el monitoreo en línea de la concentración de neblina ácida. La extensión a un sistema de control continuo del ambiente de proceso se obtiene al considerar al menos un dispositivo en comunicación alámbrica o inalámbrica con un nodo receptor, con capacidad de cómputo, que es el usuario de la información obtenida por cada dispositivo. En cuanto al emplazamiento de los dispositivos en una planta de electro-obtención de cobre u otra en que se produzca neblina ácida, se preferirá lugares que permitan realizar un control efectivo del ambiente de trabajo, siguiendo por ejemplo las indicaciones de las normas relativas a la realización de mediciones puntuales con posterior análisis químico. Así mediante la información disponible el sistema podrá por ejemplo facilitar la toma de medidas oportunas a fin de controlar los niveles de neblina ácida.

Específicamente el dispositivo opera generando una solución (10), figuras 2 y 3, a partir de la mezcla de un volumen determinado de agua y el ácido sulfúrico contenido en una muestra de aire atmosférico en forma de neblina ácida. Para ello dispone de unos medios de mezcla que están conectados operativamente con unos medios de aspiración de aire atmosférico.

Los medios de aspiración están dispuestos para establecer una diferencia de presión negativa con el ambiente externo, lo que provoca o induce el paso de la muestra de aire atmosférico a través de una disposición de vasos comunicantes que incluye a un conducto (20) de entrada de aire y un reactor (2) de absorción de ácido, siendo al interior de éste último donde se efectúa la mezcla. En la figura 1 se indica con la línea punteada 00' el nivel de agua en el conducto (20), mientras que el nivel de agua correspondiente al reactor (2) se puede apreciar más claramente en la figura 2, en que ambos niveles se establecen por vasos comunicantes.

El reactor (2) posee medios para dispersar en forma de burbujas la muestra de aire atmosférico en el volumen de agua desde una porción inferior del reactor (2). En la figura 2 los medios para dispersar se muestran como un malla o tamiz (4) dispuesta en la entrada inferior (8), sin embargo, cualquier otro aparato para burbujear la muestra de aire atmosférico puede ser empleado. Por ejemplo, el tamiz (4) puede corresponder a una malla de poliéster, a una malla de acero inoxidable, etc. Destacamos aquí la relevancia en la efectividad de la mezcla que tiene el tamaño las burbujas formadas al pasar por los medios para dispersar. Un tamaño deseable de burbujas es entre 0,5 mm a 1 ,5 mm, lo que puede

p lograse, por ejemplo, con el uso de una tela filtro de permeabilidad 20-80 L/dm min a 20 mm c.a. El dispositivo incluye además medios de separación de gas que comprenden un tubo sifón (3), dispuesto en posición vertical al interior del reactor (2). El tubo sifón (3) tiene una apertura superior (6) y un orificio inferior (7) ubicados por debajo del nivel de agua al interior del reactor (2). La separación entre la apertura (6) y el orificio (7) es de una distancia L.

El objetivo de los medios de separación de gas es generar un flujo de la solución (10) libre de burbujas, condición necesaria para la metodología de medición de la acidez utilizada. Para ello, la relación entre el diámetro DA de la apertura superior (6) y el diámetro DO del orificio inferior (7) es tal que permite que un flujo ascendente de la solución (10) al exterior del tubo sifón (3) producto del ascenso de las burbujas de aire induzca un flujo descendente al interior del tubo sifón (3), sin generar arrastre de burbujas hacia dentro del tubo sifón (3). Apoyándonos en los dibujos, las flechas A y B de la figura 2 indican el sentido de paso del aire; mientras en la figura 3, las flechas negras hacia arriba indican el sentido de flujo por fuera del tubo sifón (3) y la flecha negra hacia abajo indica el sentido de flujo por dentro del tubo sifón (3).

Las características dimensionales preferidas para el tubo sifón (3) incluyen que el diámetro DA esté relacionado con el diámetro DO de modo que DA/DO esté en el rango de 9:1 a 11 :1 ; y con mejores resultados observados cuando DA/DO es igual a 10:1 . Además la distancia L, de separación entre la apertura (6) y el orificio inferior (7), se relaciona con el diámetro DA de la apertura superior (6) de modo que L/DA está en el rango de 4,5:1 a 5,5:1 ; y con mejores resultados observados cuando L/DA es igual a 5:1 .

En otro aspecto relevante del presente dispositivo, la generación de la diferencia de presión negativa, o nivel de vacío, o depresión respecto a la presión atmósfera es necesaria para obtener la muestra de aire y para conseguirla se dispone de los medios de aspiración. Específicamente, la diferencia de presión negativa se establece al interior de un volumen auxiliar o pulmón (22) desde el cual la bomba de vacío (23) puede extraer aire cuando la válvula (42) está en posición abierta. Además el pulmón (22) está en comunicación permanente vía el conducto (21 ) con en el volumen interior (11 ) dentro del reactor (2). En donde, dicho volumen interior (11 ) está definido sobre el nivel de agua en el reactor (2). En definitiva, la diferencia de presión acumulada actuará solamente cuando la válvula (41 ) que está dispuesta en el conducto (20) para controlar el paso de aire hacia el reactor (2), sea abierta.

Los elementos descritos hasta aquí permiten sustentar la operación del presente dispositivo en las etapas de: a) mezclado y b) generación de un flujo de la solución (10) libre de burbujas. Ambas etapas se suceden de manera continua o sin mediar intervenciones después que unos medios (40) generan señales de control para la apertura de las válvulas (41 ) y (42) y para el cierre de las válvulas (25) y (28), permitiendo el paso de la muestra de aire a través del conducto (20) que alimenta al reactor (2). Se enfatiza que ambas etapas no son disociables, o bien, son parte de una continuidad en el desarrollo de los flujos establecidos al interior del reactor (2) y del tubo sifón (3). Con respecto al aire que pasa en forma de burbujas por el reactor (2), éste cede la mayor parte de su contenido ácido cuando se produce la solución (10); por tanto, el mismo llega con un bajo o nulo contenido de ácido a la porción o volumen interior (11 ) en la parte superior del reactor (2), al interior del pulmón (22), y eventualmente a la atmósfera expulsado por la bomba de vacío (23) como lo esquematiza la flecha B en la figura 1.

En relación con la determinación del contenido de ácido en la neblina ácida, para la medición del pH se utiliza el sensor (31 ) de medición directa de iones hidronio. Además, dicha determinación del contenido ácido se realiza sobre la base del cambio de pH entre mediciones. Por lo tanto, el dispositivo dispone de medios (40) en comunicación con el sensor (31 ) capaces de realizar una estimación del contenido de ácido en un momento sobre la base de pares mediciones realizadas antes y después de la absorción de ácido por parte de la solución (10). En consecuencia, la primera medición del dispositivo deberá realizarse directamente al volumen de agua al interior del reactor, previo a iniciar el funcionamiento normal.

En la etapa c), de medición del pH se realiza desde el sensor (31 ) prácticamente a la vez que la etapa b), ya que dicha medición se aplica al flujo de la solución (10) que desciende al interior del tubo sifón (3).

En cuanto a la disposición del sensor de pH, el tubo sifón y el reactor se propone lo siguiente. Para dar soporte al tubo sifón (3) al interior del reactor (2) se dispone de un elemento alargado que atraviesa desde el ambiente externo hacia el interior del reactor (2) y también hacia el interior del tubo sifón (3). El elemento alargado está unido de manera estanca o hermética al paso de fluido o gas tanto con el reactor (2) como con el tubo sifón (3). Preferentemente, dicho elemento alargado es un elemento tubular (32), con la ventaja de servir además para instalar en su extremo distal -al interior del tubo sifón- el sensor (31 ), permitiendo guiar una conexión (33) desde el sensor (31 ) hacia los medios (40) por dentro del elemento tubular (32). Para cumplir con las condiciones de operación del sensor (31 ) el extremo distal de elemento tubular (32) debe ubicarse entre la apertura superior (6) y el orificio inferior (7), y preferentemente está dispuesto en el tercio inferior respecto a la dimensión longitudinal del tubo sifón (3).

Por motivos de simplicidad y simetría del flujo de fluidos en una realización preferida el reactor (2) tiene geometría cilindrica, y el tubo sifón (3) se ubica concéntricamente en su interior; quedando ambos componentes con sus ejes longitudinales coincidentes. También por simplicidad y simetría, es preferible que el extremo distal del elemento que sostiene al sensor (31 ) se ubique en una posición a lo largo del eje longitudinal del tubo sifón (3).

Con el fin de mantener el dispositivo en condiciones adecuadas para medidas posteriores, de forma autónoma y libre de mantención por períodos prolongados, una vez alcanzado un nivel predefinido de pH al interior del reactor (2) el método incluye etapas de: e) neutralizar la solución (10) mediante el aporte dosificado de un compuesto alcalino soluble en agua; y f) restablecer el volumen determinado de agua al interior del reactor (2).

En donde el volumen determinado es un volumen fijo, y cada vez que se neutraliza se agrega una cantidad mayor de agua y por el rebalse se asegura que en el interior del reactor (2) la cantidad de agua es constante.

Debido a la modificación de pH del agua en el reactor, y dado la determinación de contenido ácido que ocurre tras la etapa c) es relativa, la siguiente medición de pH se puede considerar como pérdida y retomar el monitoreo en la subsiguiente medición de pH. Considerando lo anterior las etapas e) y f) pueden ser omitidas o postergadas hasta que se alcance un nivel de acidez predefinido de pH al interior del reactor (2).

Una alternativa a lo anterior sería considerar una etapa g) de medición de pH del agua neutralizada, mediante el sensor (31 ). El valor aquí obtenido es registrado por parte de los medios (40) para que la siguiente medición de pH para determinar de contenido ácido en la atmósfera considere un valor corregido correspondiente al volumen determinado de agua al interior del reactor (2), después del neutralizado.

Para llevar a cabo las etapas anteriores el dispositivo comprende respectivamente unos medios para neutralizar la solución (10) y unos medios para restablecer el volumen determinado de agua al interior del reactor (2). Los medios para neutralizar la solución (10) comprenden: un recipiente (26) para almacenar el compuesto alcalino soluble en agua, un medio de bombeo o dosificación (27) y una válvula (28) dispuestos en un conducto (29) que conecta una salida en el recipiente (26) con el reactor (2), ver Figuras 1 y 4. El método asociado comprende en la etapa e), la apertura de una válvula (28) y el accionamiento del medio de dosificación (27) permite introducir una cantidad de compuesto alcalino desde el recipiente (26) en la solución (10) al interior del reactor (2). Además, durante la etapa e) se mantiene cerradas las válvulas (41 ) y (42), evitando el flujo de aire desde la atmósfera durante la operación de los medios para neutralizar la solución (10).

Los medios para restablecer el volumen determinado de agua al interior del reactor (2) comprenden una salida lateral (15) para rebalse del reactor (2) de apertura regulada mediante una válvula (25), en donde la posición de la salida lateral (15) establece el nivel mínimo de agua al interior del reactor (2), ver figuras 1 y 5. Preferentemente un conducto (24) comunica la salida lateral (15) para rebalse con el recipiente (26). De modo que en la etapa f) la apertura de la válvula (25) que regula el rebalse desde la salida lateral (15), se puede restablecer el nivel de agua al interior del reactor (2) hasta el nivel mínimo, y además, al agregar el rebalse desde el reactor (2) al compuesto alcalino soluble en agua en el recipiente (26) se establece un ciclo cerrado para los flujos asociados a la neutralización y restablecimiento del nivel de agua en el reactor (2). Eventualmente el flujo de agua de rebalse disminuirá ostensiblemente la efectividad del compuesto alcalino para neutralizar la acidez de la solución (10). Las pruebas realizadas indican que para un recipiente de volumen del orden de un cuarto del volumen de agua en el reactor (2) se obtiene una vida útil de tres meses. En la figura 5 se esquematiza el flujo de rebalse por la flecha A, mientas las demás entradas y/o salidas al reactor están cerradas (cruces B, C, D).

En un aspecto adicional de la etapa e), de neutralizar la solución (10), se incluye además el cierre de la válvula (25) para que el recipiente (26) no reciba rebalse desde el reactor (2). En la figura 4 se esquematiza la dosificación de compuesto álcali por la flecha A, mientas las demás entradas y/o salidas al reactor están cerradas (cruces B, C, D).

En una realización alternativa se puede realizar el neutralizado cíclicamente hasta alcanzar un valor parámetro u objetivo de pH (pH7- pH8) en el fluido dentro del tubo sifón y del reactor (2). Esto se consigue mediante la etapa g) antes descrita, y una etapa h) en que los medios (40) determinen si es necesario aporte adicional de compuesto alcalino al reactor (2). En caso afirmativo se repite las etapas e) de neutralización, f) de restablecer el volumen determinado de agua al interior del reactor (2), y la etapa g) de medición de pH, definiendo así un ciclo dirigido a alcanzar el valor objetivo de pH. En relación con los procesos de control, registro, y transmisión se dispone de los medios (40), que en la figura 1 se representan en comunicación con las válvulas y con el sensor de pH mediante líneas punteadas. La representación gráfica de otras relaciones como las existentes con la bomba de vacío (23) y la bomba dosificadora (27) se han omitido.

Así los medios (40), que están en comunicación con el sensor (31 ) mediante la conexión (33), están dispuestos para procesar los datos de las mediciones de pH, antes y después de la absorción de ácido, para determinar el cambio de pH entre mediciones lo que permite realizar una estimación del contenido de ácido presente en ese momento en la atmósfera. Los medios (40) son también los encargados de determinar si es necesario aportar compuesto alcalino al reactor (2) desde el recipiente (26), por comparación con un valor mínimo de pH o de forma preestablecida cada cierto número de mediciones de contenido de ácido. La información que los medios (40) registra, ya sea los valores de cambio de pH obtenidos, o bien parejas de datos obtenidos de mediciones de pH consecutivas, es transmitida vía medios alámbricos o inalámbricos (43) -en etapa d) del método- para ser recibida y empleada por el nodo o sistema de procesamiento del usuario. Además, los medios (40) están dispuestos para generar señales de control para las válvulas (25, 28, 41 , 42) y para controlar la operación de la bomba de vacío (23) y del medio de dosificación (27).

Los medios (40) también suministran información de contexto para las mediciones y otras relacionadas con el mantenimiento. En el primer caso los datos de las mediciones de pH incluyen fecha y hora de la medición, y una identificación del dispositivo de monitoreo. En el segundo caso los medios (40) están dispuestos para generar información de los ciclos necesarios a neutralizar la acidez de la solución (10), o de la cantidad de neutralizaciones realizadas. Así el dispositivo está capacitado para entregar una guía para su mantenimiento que incluya la recarga o el cambio de los fluidos, para volver a condiciones de operación estándar.

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Los parámetros del tubo sifón (3) son: DA/DO = 10 y L/DA = 5. La operación se inicia con 1 ,4 litros de agua en el reactor (2) y se utiliza el equipo hasta que se registre por debajo de pH 5, procediendo a neutralizar con solución diluida de NaOH. Alternativamente, el agua se neutraliza cada cierta cantidad de mediciones (pH), definida previamente. La autonomía del dispositivo aquí descrito es de tres meses de uso, sin intervención ni calibración. El equipo está programado de tal forma que trabaja en función de diferencias y no de valores puntuales, enfocándose en los incrementos y no en los valores puntuales. Respecto del suministro de insumos como el NaOH, se considera una autonomía de tres meses antes de agregar del orden de 0,5 mi de solución diluida.

El consumo de agua estimado para un sistema como el aquí propuesto, se ubica en los 0,5 litros cada tres meses. Por lo que, más allá del posible ahorro de agua un aspecto relevante es la no dependencia de una fuente continua para el abastecimiento de agua.

Existen múltiples modos de llevar a cabo el proceso de neutralización. Por ejemplo, en una realización alternativa se neutraliza con solución diluida de Soda Cáustica, o bien con solución diluida de Bicarbonato de Sodio. El criterio mínimo que debe cumplir el compuesto escogido es ser una base (álcali).

El suministro de energía eléctrica podrá ser provisto mediante fuentes de poder autónomas o bien desde la red eléctrica. Lo anterior significa que el consumo total del equipo prototipo es de 6A con un voltaje de 220 VAC.