La oportunidad de la doble función-
Las celdas electroquímicas para la recuperación de metales, la electroobtención y la electrodiálisis requieren tanto calentamiento como distribución de corriente eléctrica. Tradicionalmente, estas funciones las proporcionan componentes separados: un calentador de inmersión para el control de la temperatura y una placa o malla catódica metálica para la recolección de corriente. Los dos componentes compiten por el espacio dentro de la celda y requieren instalación, mantenimiento y reemplazo por separado.
La combinación de ambas funciones en un único conjunto basado en PTFE- reduce la complejidad de la celda, libera volumen interno para los electrodos y elimina los problemas de corrosión y contaminación de un calentador metálico independiente. Los tubos intercambiadores de calor de PTFE están modificados con elementos conductores que les permiten servir como cátodo mientras continúan proporcionando calentamiento con vapor. Los circuitos eléctricos y de vapor están aislados entre sí mediante las paredes del tubo de PTFE.
El diseño de conductores integrados
La estructura base es un haz de tubos intercambiadores de calor de PTFE estándar. Para agregar capacidad de recolección de corriente, cada tubo está equipado con una capa conductora externa que hace contacto con el fluido del proceso y recolecta corriente catódica. La capa conductora debe ser químicamente compatible con el electrolito, eléctricamente continua a lo largo de la longitud del tubo y térmicamente conductora para permitir la transferencia de calor desde el vapor dentro del tubo al fluido de proceso en el exterior.
Varios enfoques proporcionan la función conductora. Sobre cada tubo calefactor se desliza una funda compuesta de grafito-PTFE-un tubo-de paredes delgadas de grafito-relleno de PTFE-. El relleno de grafito (15-25% en volumen) proporciona suficiente conductividad eléctrica para la recolección de corriente (resistividad aproximadamente 0,1-1,0 Ω·cm) mientras mantiene la inercia química de la matriz de PTFE. El manguito compuesto está en íntimo contacto con la pared del tubo calefactor para la conducción térmica.
Alternativamente, se envuelve una malla perforada de titanio o niobio alrededor de cada tubo, mantenida en su lugar mediante anillos de retención de PTFE. La malla proporciona alta conductividad y durabilidad, y el tubo de PTFE proporciona la barrera contra la corrosión entre el fluido del proceso y el vapor interno. Los segmentos de malla de los tubos adyacentes están conectados eléctricamente mediante cables de puente para formar el bus catódico.
| Parámetro de diseño | Especificación |
|---|---|
| Material de capa conductora | Compuesto de PTFE relleno de grafito-o malla de titanio/niobio |
| resistividad compuesta | 0,1-1,0 Ω·cm (grafito-PTFE) |
| Material de malla | Titanio Grado 2 o niobio (dependiente del electrolito-) |
| Método de conexión eléctrica | Cables de puente entre segmentos de tubo; conexión de bus en cabecera |
| Aislamiento de vapor-a-electrolitos | Pared de tubo de PTFE (rigidez dieléctrica > 18 kV/mm) |
| Densidad de corriente en la superficie del tubo. | 50-200 A/m² (según la aplicación) |
| Temperatura máxima de funcionamiento del electrolito | 260 grados (límite de PTFE) |
| Rendimiento térmico | 90-95% del tubo no conductor equivalente (ligera resistencia térmica adicional de la capa conductora) |
El diseño de aislamiento eléctrico
El vapor dentro de los tubos de PTFE está eléctricamente aislado del fluido del proceso por la pared del tubo de PTFE. Las tuberías de suministro de vapor y retorno de condensado también deben estar aisladas eléctricamente del bus catódico. Las bridas dieléctricas o las piezas de carrete aislantes en las conexiones de vapor y condensado rompen la continuidad metálica, asegurando que la corriente catódica fluya a través de las conexiones de bus previstas, no a través de la tubería de vapor a tierra.
La capa conductora de cada tubo está conectada a una barra colectora catódica montada en el bastidor de soporte del intercambiador de calor pero aislada eléctricamente del bastidor. La barra colectora está conectada al terminal negativo del rectificador. Todo el conjunto está diseñado de modo que la única ruta de corriente desde el electrolito al rectificador sea a través de las superficies del tubo conductor y el bus del cátodo.-no hay rutas de corriente parásita a tierra.
La optimización del rendimiento térmico-eléctrico
La capa conductora añade una pequeña resistencia térmica entre la pared del tubo calentado con vapor-y el electrolito. Para la funda compuesta de grafito-PTFE con un espesor de 0,5 mm, la resistencia térmica adicional es de aproximadamente 0,001-0,002 m²·K/W, lo que reduce el valor U general entre un 5 % y un 10 %. El área de superficie del intercambiador de calor se incrementa en el mismo porcentaje para compensar, asegurando que se cumpla con la carga térmica de diseño.
La distribución de corriente a través del haz de tubos está gobernada por la resistencia eléctrica de la capa conductora y el electrolito. Los tubos más alejados de la conexión del bus del cátodo experimentan una trayectoria de resistencia ligeramente mayor. El espesor de la capa conductora y el calibre del cable de puente se seleccionan para limitar la caída de voltaje a través del haz a menos de 50 mV en la corriente de diseño, asegurando una distribución uniforme de la corriente.
Resumen
Un intercambiador de calor de PTFE modificado con una capa conductora externa sirve como calentador de proceso y como colector de corriente catódica en celdas electroquímicas. Los manguitos compuestos de PTFE rellenos de grafito-o la malla metálica resistente a la corrosión-proporcionan la función conductora al mismo tiempo que mantienen la inercia química. La pared del tubo de PTFE aísla el circuito de vapor del circuito eléctrico. El diseño de doble función-reduce la complejidad de la celda y elimina el calentador metálico separado como fuente de corrosión y contaminación.
El soporte de ingeniería para el diseño del intercambiador de calor de PTFE con electrodo calentador combinado-está disponible previa presentación de la química del electrolito, la temperatura de funcionamiento, los requisitos de densidad de corriente y la geometría de la celda.
