Den doble-funksjonsmuligheten
Elektrokjemiske celler for metallgjenvinning, elektroutvinning og elektrodialyse krever både oppvarming og elektrisk strømfordeling. Tradisjonelt leveres disse funksjonene av separate komponenter: en el-varmer for temperaturkontroll, og en metallisk katodeplate eller nett for strømoppsamling. De to komponentene konkurrerer om plass i cellen og krever separat installasjon, vedlikehold og utskifting.
Ved å kombinere begge funksjonene til en enkelt PTFE-basert sammenstilling reduserer cellekompleksiteten, frigjør internt volum for elektroder, og eliminerer korrosjons- og forurensningsproblemene til en separat metallisk varmeovn. PTFE varmevekslerrørene er modifisert med ledende elementer som lar dem tjene som katode mens de fortsetter å gi dampoppvarming. Damp- og elektriske kretser er isolert fra hverandre av PTFE-rørveggene.
Det integrerte lederdesignet
Grunnstrukturen er en standard PTFE varmevekslerrørbunt. For å legge til strømoppsamlingsevne, er hvert rør utstyrt med et eksternt ledende lag som kommer i kontakt med prosessvæsken og samler katodisk strøm. Det ledende laget må være kjemisk kompatibelt med elektrolytten, elektrisk kontinuerlig langs rørlengden og termisk ledende for å tillate varmeoverføring fra dampen inne i røret til prosessfluidet utenfor.
Flere tilnærminger gir den ledende funksjonen. En grafitt-PTFE-kompositthylse-et tynt-vegget rør av grafitt-fylt PTFE-glides over hvert varmerør. Grafittfyllstoffet (15-25 volum%) gir tilstrekkelig elektrisk ledningsevne for strømoppsamling (resistivitet ca. 0,1-1,0 Ω·cm) samtidig som den kjemiske tregheten til PTFE-matrisen opprettholdes. Kompositthylsen er i intim kontakt med varmerørveggen for varmeledning.
Alternativt er et perforert titan- eller niobnett viklet rundt hvert rør, holdt på plass av PTFE-holderinger. Nettet gir høy ledningsevne og holdbarhet, med PTFE-røret som gir korrosjonsbarrieren mellom prosessvæsken og den interne dampen. Nettsegmentene på tilstøtende rør er elektrisk forbundet med koblingsledninger for å danne katodebussen.
| Design parameter | Spesifikasjon |
|---|---|
| Ledende lagmateriale | Grafitt-fylt PTFE-kompositt eller titan/niob-nett |
| Kompositt resistivitet | 0,1-1,0 Ω·cm (grafitt-PTFE) |
| Mesh materiale | Titanium Grade 2 eller niob (elektrolytt-avhengig) |
| Elektrisk tilkoblingsmetode | Jumper ledninger mellom rørsegmenter; bussforbindelse ved topptekst |
| Damp-til-elektrolyttisolering | PTFE-rørvegg (dielektrisk styrke > 18 kV/mm) |
| Strømtetthet ved røroverflaten | 50-200 A/m² (applikasjonsavhengig) |
| Maksimal elektrolyttdriftstemperatur | 260 grader (PTFE-grense) |
| Termisk ytelse | 90-95 % av ekvivalent ikke-ledende rør (litt ekstra termisk motstand fra ledende lag) |
Design av elektrisk isolasjon
Dampen inne i PTFE-rørene er elektrisk isolert fra prosessvæsken av PTFE-rørveggen. Damptilførsel og kondensatreturrør må også være elektrisk isolert fra katodebussen. Dielektriske flenser eller isolerende spolestykker ved damp- og kondensatforbindelsene bryter den metalliske kontinuiteten, og sikrer at katodisk strøm flyter gjennom de tiltenkte bussforbindelsene, ikke gjennom damprørene til jord.
Det ledende laget på hvert rør er koblet til en katodesamlingsskinne montert på varmevekslerstøtterammen, men elektrisk isolert fra rammen. Samleskinnen er koblet til likeretterens negative terminal. Hele enheten er utformet slik at den eneste strømveien fra elektrolytten til likeretteren går gjennom de ledende røroverflatene og katodebussen -det er ingen strøstrømveier til jord.
Optimalisering av termisk-elektrisk ytelse
Det ledende laget legger til en liten termisk motstand mellom den damp-oppvarmede rørveggen og elektrolytten. For grafitt-PTFE-kompositthylsen med 0,5 mm tykkelse er den ekstra termiske motstanden omtrent 0,001-0,002 m²·K/W, noe som reduserer den totale U-verdien med 5-10 %. Overflatearealet på varmeveksleren økes med samme prosentandel for å kompensere, noe som sikrer at designvarmeplikten oppfylles.
Strømfordelingen over rørbunten styres av den elektriske motstanden til det ledende laget og elektrolytten. Rør lenger fra katodebussforbindelsen opplever en litt høyere motstandsbane. Den ledende lagtykkelsen og jumper-trådmåleren er valgt for å begrense spenningsfallet over bunten til mindre enn 50 mV ved designstrømmen, noe som sikrer jevn strømfordeling.
Sammendrag
En PTFE varmeveksler modifisert med et eksternt ledende lag fungerer som både prosessvarmer og katodestrømkollektor i elektrokjemiske celler. Grafitt-fylte PTFE-kompositthylser eller korrosjons-bestandig metallnett gir den ledende funksjonen samtidig som den opprettholder kjemisk inerthet. PTFE-rørveggen isolerer dampkretsen fra den elektriske kretsen. Den doble-funksjonsdesignen reduserer cellekompleksiteten og eliminerer den separate metalliske varmeren som en korrosjons- og forurensningskilde.
Teknisk støtte for kombinert varmeveksler-elektrode-PTFE-varmevekslerdesign er tilgjengelig ved innsending av elektrolyttkjemi, driftstemperatur, strømtetthetskrav og cellegeometri.
