OPTIMIZACION DE LA TEMPERATURA DEL ELECTROLITO EN EL PROCESO DE ELECTROREFINACION DEL COBRE REFINERÍA DE ILO

Transcripción

1 Ing. Abraham Gallegos Fuentes Jefe General de Planta Electrolítica Ing. Ángel Villanueva Díaz Jefe de Control de Producción

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4 TEMARIO 1. INTRODUCCIÓN 2. CONTROLES EN EL PROCESO DE LA ELECTROREFINACIÓN 3. FUNDAMENTO DEL CONTROL DE LA TEMPERATURA EN EL ELECTROLITO DE REFINACIÓN DEL COBRE 4. OBJETIVO DEL CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL ELECTROLITO DE REFINACIÓN DEL COBRE 5. DESARROLLO DE LAS PRUEBAS EN EL MODULO PILOTO 6. ESCALAMIENTO ENERGETICO A NIVEL INDUSTRIAL POR CONSUMO DE VAPOR Y ENERGÍA ELÉCTRICA 7. CONCLUSIONES 8. OBSERVACIONES

5 1. INTRODUCCIÓN 1975 inicio de operaciones con una capacidad de 150,000 TM/año de cátodos, con 812 cedas, con un flujo de electrolito de ,000 L/día (Volumen de electrolito del circuito: 5 820,000 L) La generación de vapor para el calentamiento del electrolito se realizaba con una caldera de aprovechamiento del calor sensible de los gases de los hornos de la Planta de Ánodos que salían a 1,300 ºC.

6 Actualmente, la capacidad de producción de cátodos es de 280,000 TM/año, con 978 cedas, un flujo de electrolito de ,000 L/día (Volumen de electrolito del circuito: 7 000,000 L) y la generación de vapor se realiza en una caldera que quema combustible R-500, por lo que es muy importante reducir su consumo. Fueron ya implementadas las siguientes mejoras: Uso de mantas sobre las celdas.

7 Aislamiento de las paredes inferiores de las celda: OPTIMIZACION DE LA TEMPERATURA DEL ELECTROLITO

8 Aislamiento de tuberías de vapor e intercambiadores de calor: OPTIMIZACION DE LA TEMPERATURA DEL ELECTROLITO

9 2. CONTROLES EN EL PROCESO DE LA ELECTROREFINACIÓN 2.1 Factores técnicos mas importantes a. Pureza del cátodo: Cátodos Grado A b. Producción c. Consumo de energía: Eléctrica Combustible (Generación-vapor) 2.2 Variables mas importantes a. Calidad física y química de lo ánodos b. Condiciones del electrolito Dosificación de aditivos Nivel de impurezas TEMPERATURA Circulación c. Densidad de corriente f. Eficiencia de corriente

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11 3. FUNDAMENTO DEL CONTROL DE LA TEMPERATURA EN EL ELECTROLITO DE REFINACIÓN DEL COBRE - El manejo de las temperaturas del electrolito de alimentación a celdas en las plantas de refinación a nivel mundial es diferente, dependiendo de las condiciones particulares de proceso de cada planta, temperaturas del clima de cada zona o de la calidad física o química final de los cátodos que requieran tenerse. Información técnica a nivel mundial indica que se manejen temperaturas de alimentación de electrolito entre 60 a 68 ºC - La temperatura del electrolito es realmente una variable muy importante en la refinación electrolítica del cobre y tiene que ser controlada correctamente entre limites definidos a lo largo del crecimiento del cátodo. - Modificar la temperatura del electrolito afecta dos de sus propiedades físicas que inciden en el consumo de energía: (1) la conductividad y (2) el calor específico

12 FUNDAMENTO DEL CONTROL DE LA TEMPERATURA EN EL ELECTROLITO DE REFINACIÓN DEL COBRE 1.1 Conductividad: La conductividad del electrolito es directamente proporcional a su temperatura. Además, la conductividad también es afectada por los elementos que componen el electrolito y se puede calcular utilizando la siguiente ecuación publicada por Price y Davenport [1]: (eq. 1) 1.2 Calor específico: Desde el punto de vista industrial y energético un electrolito con mayor calor específico requerirá mayor consumo de vapor para alcanzar la temperatura requerida. (eq. 2)

13 4. OBJETIVO DEL CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL ELECTROLITO DE REFINACIÓN DEL COBRE Establecer la temperatura óptima del electrolito conlleva determinar la temperatura de electrolito que reduzca el consumo de vapor, sin incrementar sustancialmente el consumo de energía eléctrica, manteniendo la calidad química y física de los cátodos.

14 5. DESARROLLO DE LAS PRUEBAS EN EL MODULO PILOTO Tabla. Descripción de pruebas en M. Piloto. PRUEBA Temperatura C Prueba 1: Baja temperatura 59 Prueba 2: Media temperatura 61 Prueba 3: Alta temperatura 64

15 Tabla: Condiciones de las pruebas en el Modulo Piloto Aditivos: Cola: g/ton 41 Thiourea: g/ton 103 Composición del Electrolito: Cu: g/l H2SO4: g/l Cloro: mg/l 30 Flujo de electrolito: L/min 25 L/día 144,000 Volumen de electrolito Celdas en operación Uds. 4 Del circuito L 30,000 Corriente: Amperaje por celda: A 29,450 Densidad de corriente: A/m2 275 Nota: Condiciones similares al del proceso a nivel industrial

16 5.1 RESULTADOS La diferencia de temperatura del electrolito al ingreso y salida de la celdas es mayor cuando la temperatura de ingreso a la celdas es mayor. Tabla : Temperatura del electrolito al ingreso y salida de las celdas Prueba Set point Ingreso Salida Diferencia C C C C A baja temperatura se incrementa la resistencia del electrolito lo que origina que el efecto Joule sea mayor y por lo tanto contribuya a mantener el balance térmico de la celda

17 Utilizando la ecuación 1 se ha calcula la conductividad para las 3 pruebas realizadas. Tabla : Voltaje en celdas PRUEBA Temperatura C Voltaje en celda mv Prueba 1: Baja temperatura Diferencia de conductividad μmhos/cm Diferencia de conductividad % Prueba 2: Media temperatura Prueba 3: Alta temperatura Entre 59 y 64 C se tiene una diferencia en la conductividad de 25 μmhos/cm equivalente al 4.2%. Este incremento en la resistencia significa un ingreso de calor en la celda por efecto Joule que contribuye al balance térmico de la celda.

18 5.2 Convección del aire dentro de la planta: A mayor temperatura se incrementa la pérdida de calor por convección. El intercambio o pérdida de calor de la celda hacia el medio ambiente se rige por la ley de enfriamiento de Newton descrita en la ecuación 3. Donde: Ts Tinf = Temperatura de la superficie del electrolito en las celdas. = Temperatura del medio ambiente.

19 5.2 Convección del aire dentro de la planta: En el Modulo Piloto se tiene enfriamiento del electrolito por convección y es mayor cuando la temperatura de alimentación en mucho mayor con respecto a la salida. Con información histórica de la planta se verifica el mayor enfriamiento que se tiene en el electrolito es cuando las gradiente de temperatura del electrolito es mayor al ingreso con respecto a la salida Tabla : Temperatura de electrolito en celdas comerciales Naves Periodo Temperatura C Ingreso Temperatura C Salida Temperatura C Gradiente 01 al 31/01/ AB y CD 01 al 31/06/ / 04 al 01/05/ Conclusión de las pruebas realizadas en el Modulo Piloto - Es posible ahorrar vapor bajando el Set Point de la temperatura del electrolito. - Bajando la temperatura se tendrá menos enfriamiento de electrolito en las celdas y en consecuencia se requerirá menos vapor para calentar el electrolito.

20 5.3 Resumen de los efectos de la menor temperatura del electrolito en el proceso: - Voltajes de celda en función de la temperatura Tabla : Voltaje de las celdas y la Temperatura del electrolito al ingreso y salida de las celdas Prueba Set point Voltaje C mv Por cada grado centígrado que se incrementa la temperatura del electrolito se tiene una reducción de 0.7 mv en el voltaje de celda. Al incrementarse el voltaje en la celda, por efecto Joule, esta energía se convertirá en calor y contribuirá al balance auto térmico de la celda.

21 5.4 Calidad física y química de los cátodos de las pruebas en el Modulo Piloto La calidad física de los cátodos se mantuvieron dentro de lo normal y cero rechazos para cada de las 03 pruebas. Tabla : Rechazo metalúrgico de cátodos PRUEBA Temperatura C Rechazo % Prueba 1: Baja temperatura Prueba 2: Media temperatura Prueba 3: Alta temperatura La calidad química de los cátodos se mantuvieron dentro de los normal Tabla : Calidad química de las cosechas de las pruebas en el Modulo Piloto Prueba Set point Cu Ag Se Ni Pb Fe S Bi Sb As Te C % ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm

22 6. ESCALAMIENTO ENERGETICO A NIVEL INDUSTRIAL POR CONSUMO DE VAPOR Y ENERGÍA ELÉCTRICA - Se muestra en la siguiente tabla: Tabla: Balance energético en la planta Electrolitica por bajar la temperatura del electrolito de ingreso a celdas Generación de vapor Consumo energía por efecto joule Balance energético Temperatura electrolito (Ingreso a celdas) Consumo de combustible Poder calorifico R-500 Voltaje de celda Corriente rectificada Energía Consumo total de energía Menor consumo de energía ºC (Gal/día) (BTU/gal) Kcal/dia mv A kwh/dia Kcal/dia Kcal/dia Kcal/dia Kcal/año % 62 2, ,170 82,867, , , ,296, ,163, , ,170 70,575, , , ,684, ,259,436 11,904,558 4,345,163, , ,170 61,355, , , ,071, ,427,106 20,736,889 7,568,964, kwh= kcal 1BTU =0.252 Kcal

23 - Al trabajarse con menor temperatura en el electrolito la reducción del consumo total de energía en la planta se refleja por el menor consumo de vapor (al calentar menos el electrolito) y por incremento de energía eléctrica por el mayor efecto Joule, que sustancialmente no es significativo. - Reducción de la temperatura de alimentación de electrolito a las celdas de 62 a 60 º reporta un menor consumo de energía en toda la planta.

24 7. CONCLUSIONES Pruebas realizadas en el Modulo Piloto: - A mayor temperatura de alimentación del electrolito a la celda se tiene mayor caída de temperatura en las celdas. - Con un incremento de voltaje de las celdas, por el efecto Joule se tiene un mayor consumo de energía eléctrica que sustancialmente no es significativo. - La reducción de la gradiente de temperatura del electrolito de alimentación a las celdas hasta 59 ºC no ha desmejorado la calidad física y química de los cátodos ni el incremento del rechazo metalúrgico. Escalamiento a nivel industrial del balance energético: - Un menor consumo de combustible para la generación de vapor. - En el balance energético, considerando un menor consumo de combustible por generación de vapor y mayor consumo de energía eléctrica por el efecto joule, en las celda se tiene un ahorro de 15.9% de energía equivalente a 7, ,563 Kcal/año.

25 8. OBSERVACIONES Trabajar en la Planta Electrolitica con menor temperatura en el electrolito permite: - Menor generación de gases de combustión en la caldera por una menor quema de petróleo en la generación de vapor. - Menor temperatura dentro de la planta lo que mejora de las condiciones de trabajo del personal.

26 OPTIMIZACION DE LA TEMPERATURA DEL ELECTROLITO EN EL PROCESO DE ELECTROREFINACION DEL COBRE

27 GRACIAS.

28 EQUIPO REFINERIA SPCC OPTIMIZACION DE LA TEMPERATURA DEL ELECTROLITO

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31 EQUIPO REFINERIA SPCC