A oportunidade-de função dupla
Células eletroquímicas para recuperação de metal, eletroextração e eletrodiálise requerem aquecimento e distribuição de corrente elétrica. Tradicionalmente, essas funções são fornecidas por componentes separados: um aquecedor de imersão para controle de temperatura e uma placa ou malha catódica metálica para coleta de corrente. Os dois componentes competem por espaço dentro da célula e requerem instalação, manutenção e substituição separadas.
A combinação das duas funções em um único conjunto-baseado em PTFE reduz a complexidade da célula, libera volume interno para eletrodos e elimina os problemas de corrosão e contaminação de um aquecedor metálico separado. Os tubos trocadores de calor de PTFE são modificados com elementos condutores que lhes permitem servir como cátodo enquanto continuam a fornecer aquecimento a vapor. Os circuitos elétricos e de vapor são isolados entre si pelas paredes do tubo de PTFE.
O Projeto Integrado do Condutor
A estrutura básica é um conjunto de tubos de trocador de calor PTFE padrão. Para adicionar capacidade de coleta de corrente, cada tubo é equipado com uma camada condutora externa que entra em contato com o fluido do processo e coleta a corrente catódica. A camada condutora deve ser quimicamente compatível com o eletrólito, eletricamente contínua ao longo do comprimento do tubo e termicamente condutora para permitir a transferência de calor do vapor dentro do tubo para o fluido do processo externo.
Várias abordagens fornecem a função condutiva. Uma luva composta de grafite-PTFE-um tubo-de parede fina de grafite-preenchido com PTFE-é colocado sobre cada tubo de aquecimento. O enchimento de grafite (15-25% em volume) fornece condutividade elétrica suficiente para coleta de corrente (resistividade de aproximadamente 0,1-1,0 Ω·cm) enquanto mantém a inércia química da matriz de PTFE. A luva composta está em contato íntimo com a parede do tubo de aquecimento para condução térmica.
Alternativamente, uma malha perfurada de titânio ou nióbio é enrolada em torno de cada tubo, mantida no lugar por anéis de retenção de PTFE. A malha proporciona alta condutividade e durabilidade, com o tubo de PTFE proporcionando a barreira contra corrosão entre o fluido do processo e o vapor interno. Os segmentos de malha em tubos adjacentes são eletricamente conectados por fios de ligação para formar o barramento catódico.
| Parâmetro de projeto | Especificação |
|---|---|
| Material da camada condutora | Composto de PTFE preenchido com grafite-ou malha de titânio/nióbio |
| Resistividade composta | 0,1-1,0 Ω·cm (grafite-PTFE) |
| Material de malha | Titânio grau 2 ou nióbio (dependente-de eletrólito) |
| Método de conexão elétrica | Fios de ligação entre segmentos de tubo; conexão de barramento no cabeçalho |
| Vapor-para-isolamento eletrolítico | Parede do tubo de PTFE (rigidez dielétrica > 18 kV/mm) |
| Densidade de corrente na superfície do tubo | 50-200 A/m² (depende da aplicação) |
| Temperatura máxima de operação do eletrólito | 260 graus (limite de PTFE) |
| Desempenho térmico | 90-95% de tubo não condutor equivalente (leve resistência térmica adicional da camada condutora) |
O Projeto de Isolamento Elétrico
O vapor dentro dos tubos de PTFE é eletricamente isolado do fluido do processo pela parede do tubo de PTFE. A tubulação de fornecimento de vapor e de retorno de condensado também deve ser isolada eletricamente do barramento catódico. Flanges dielétricos ou carretéis isolantes nas conexões de vapor e condensado quebram a continuidade metálica, garantindo que a corrente catódica flua através das conexões de barramento pretendidas, e não através da tubulação de vapor até o terra.
A camada condutora em cada tubo é conectada a um barramento catódico montado na estrutura de suporte do trocador de calor, mas eletricamente isolado da estrutura. O barramento está conectado ao terminal negativo do retificador. Todo o conjunto é projetado de modo que o único caminho de corrente do eletrólito para o retificador seja através das superfícies condutoras do tubo e do barramento catódico-não há caminhos de corrente parasita para o terra.
A otimização do desempenho{0}elétrico térmico
A camada condutora adiciona uma pequena resistência térmica entre a parede do tubo-aquecida a vapor e o eletrólito. Para a luva composta de grafite-PTFE com espessura de 0,5 mm, a resistência térmica adicional é de aproximadamente 0,001-0,002 m²·K/W, reduzindo o valor U geral em 5-10%. A área de superfície do trocador de calor é aumentada na mesma porcentagem para compensar, garantindo que a carga térmica projetada seja atendida.
A distribuição da corrente através do feixe de tubos é governada pela resistência elétrica da camada condutora e do eletrólito. Os tubos mais distantes da conexão do barramento catódico apresentam um caminho de resistência ligeiramente maior. A espessura da camada condutora e a bitola do fio de ligação são selecionadas para limitar a queda de tensão no feixe a menos de 50 mV na corrente de projeto, garantindo distribuição uniforme de corrente.
Resumo
Um trocador de calor de PTFE modificado com uma camada condutora externa serve tanto como aquecedor de processo quanto como coletor de corrente catódica em células eletroquímicas. Mangas compostas de PTFE-preenchidas com grafite ou malhas metálicas-resistentes à corrosão fornecem a função condutiva enquanto mantêm a inércia química. A parede do tubo de PTFE isola o circuito de vapor do circuito elétrico. O design de função-dupla reduz a complexidade da célula e elimina o aquecedor metálico separado como fonte de corrosão e contaminação.
O suporte de engenharia para projeto de trocador de calor de PTFE com eletrodo de aquecedor combinado está disponível mediante envio da química do eletrólito, temperatura operacional, requisitos de densidade de corrente e geometria da célula.
