Mitigación y detección de anomalías en sistemas de distribución de corrientes en hidrometalurgia de cobre

Abstract

Esta tesis presenta un sistema de distribución de corriente (barra intercelda) para procesos de electro-refinación y electro-obtención para mitigar y detectar anomalías típicas del proceso. El trabajo se enmarca en un contexto de alta penetración de las ERNC y la necesidad de actualizar las políticas de consumo de energía en Chile. En función de esto se deben desarrollar tecnologías que sean de alta confiabilidad y que permitan operación con modulación de corriente (operación con alta corriente de día y baja corriente de noche). Para esto, el trabajo presenta un nuevo diseño de barra intercelda que permite mitigar y detectar anomalías en el proceso, pero además aumente la confiabilidad del sistema y permita operar los procesos de ER y EW con modulación de corriente. Para lograr el objetivo se realizó un modelo matemático de parámetros concentrados que describa el fenómeno eléctrico en las barras intercelda. Con el modelo se determinó la distribución de corrientes que circulan en las celdas electrolíticas. Además, mediante un modelo de parámetros distribuidos utilizando FEM (Finite Element Method) se caracterizó el comportamiento eléctrico y térmico del sistema de distribución de corriente. Los modelos se sintonizaron utilizando parámetros recopilados en planta. Se caracterizó la operación del sistema y las anomalías típicas: cortocircuito metalúrgico, circuito abierto y contacto deficiente. Se analizaron las principales tecnologías de barras intercelda y su desempeño en los distintos escenarios. Luego, se determinó una configuración para mitigar y detectar anomalías. Se incluye el diseño de la configuración eléctrica, la topología (ordenamiento espacial) y la posibilidad de utilizar cobre-cromo como el principal material conductor. Finalmente se analiza el efecto de la corrosión sobre el cobre y el cobre-cromo. Además se determina la resistencia a la corrosión del material y disminución de la velocidad de corrosión por menores temperaturas de operación y su impacto en la eficiencia de la barra intercelda. Para la tecnología equipotencial en operación normal, la dispersión de corriente es de 15,4% y la temperatura de operación de la barra es 69 [ºC]. Para la tecnología segmentada la dispersión de corriente es de 9,9% con una temperatura de operación de barra de 66 [ºC]. Se determinó que la barra equipotencial ofrece mitigación para contactos deficientes, mientras que la barra segmentada aporta mitigación frente a cortocircuitos. Sin embargo, ninguna de las dos posee mitigación en presencia de circuitos abiertos. La nueva interconexión de barra que se propone, mitiga los circuitos abiertos que se producen, generando así una redundancia 𝑛+1 en el sistema eléctrico. Con esto, en presencia de un circuito abierto se produce depósito en el cátodo a 46% de la corriente nominal. Enfrentando un contacto deficiente se deposita a 53% de la corriente nominal. Además, la barra BCS utiliza una configuración segmentada que mantiene la protección frente a cortocircuitos metalúrgicos.