L'opportunité à double-fonctionnalité
Les cellules électrochimiques pour la récupération des métaux, l'électroextraction et l'électrodialyse nécessitent à la fois un chauffage et une distribution de courant électrique. Traditionnellement, ces fonctions sont assurées par des composants distincts : un thermoplongeur pour le contrôle de la température et une plaque ou un treillis cathodique métallique pour la collecte du courant. Les deux composants sont en compétition pour l'espace dans la cellule et nécessitent une installation, une maintenance et un remplacement séparés.
La combinaison des deux fonctions dans un seul assemblage à base de PTFE- réduit la complexité des cellules, libère du volume interne pour les électrodes et élimine les problèmes de corrosion et de contamination d'un élément chauffant métallique séparé. Les tubes de l'échangeur de chaleur en PTFE sont modifiés avec des éléments conducteurs qui leur permettent de servir de cathode tout en continuant à fournir un chauffage à la vapeur. Les circuits de vapeur et électriques sont isolés les uns des autres par les parois des tubes en PTFE.
La conception du conducteur intégré
La structure de base est un faisceau de tubes d'échangeur de chaleur en PTFE standard. Pour ajouter une capacité de collecte de courant, chaque tube est équipé d'une couche conductrice externe qui entre en contact avec le fluide de traitement et collecte le courant cathodique. La couche conductrice doit être chimiquement compatible avec l'électrolyte, électriquement continue sur toute la longueur du tube et thermiquement conductrice pour permettre le transfert de chaleur de la vapeur à l'intérieur du tube vers le fluide de traitement à l'extérieur.
Plusieurs approches assurent la fonction conductrice. Un manchon composite en graphite-PTFE-un tube à paroi mince-de graphite-rempli de PTFE-est glissé sur chaque tube chauffant. La charge graphite (15-25 % en volume) offre une conductivité électrique suffisante pour la collecte du courant (résistivité environ 0,1-1,0 Ω·cm) tout en maintenant l'inertie chimique de la matrice PTFE. Le manchon composite est en contact intime avec la paroi du tube chauffant pour assurer la conduction thermique.
Alternativement, un treillis perforé en titane ou en niobium est enroulé autour de chaque tube, maintenu en place par des anneaux de retenue en PTFE. Le maillage offre une conductivité et une durabilité élevées, le tube en PTFE fournissant une barrière contre la corrosion entre le fluide de traitement et la vapeur interne. Les segments de maille sur les tubes adjacents sont connectés électriquement par des câbles de liaison pour former le bus cathodique.
| Paramètre de conception | Spécification |
|---|---|
| Matériau de couche conductrice | Composite PTFE chargé de graphite- ou maille titane/niobium |
| Résistivité composite | 0,1-1,0 Ω·cm (graphite-PTFE) |
| Matériau en maille | Titane Grade 2 ou niobium (dépendant de l'électrolyte-) |
| Méthode de connexion électrique | Fils de liaison entre les segments de tube ; connexion de bus au niveau du collecteur |
| Isolation de la vapeur-vers-électrolyte | Paroi du tube PTFE (rigidité diélectrique > 18 kV/mm) |
| Densité de courant à la surface du tube | 50-200 A/m² (en fonction de l'application) |
| Température maximale de fonctionnement de l'électrolyte | 260 degrés (limite PTFE) |
| Performance thermique | 90 -95 % de l'équivalent d'un tube non conducteur (légère résistance thermique supplémentaire de la couche conductrice) |
La conception de l’isolation électrique
La vapeur à l’intérieur des tubes PTFE est électriquement isolée du fluide de procédé par la paroi du tube PTFE. Les conduites d'alimentation en vapeur et de retour des condensats doivent également être isolées électriquement du bus cathodique. Des brides diélectriques ou des pièces de bobine isolantes au niveau des connexions de vapeur et de condensat interrompent la continuité métallique, garantissant ainsi que le courant cathodique circule à travers les connexions de bus prévues, et non à travers la tuyauterie de vapeur jusqu'à la terre.
La couche conductrice sur chaque tube est connectée à une barre omnibus cathodique montée sur le cadre de support de l'échangeur de chaleur mais isolée électriquement du cadre. La barre omnibus est connectée à la borne négative du redresseur. L'ensemble est conçu de telle sorte que le seul chemin de courant de l'électrolyte au redresseur passe par les surfaces des tubes conducteurs et le bus cathodique - il n'y a pas de chemin de courant vagabond vers la terre.
L'optimisation des performances électriques-thermiques
La couche conductrice ajoute une petite résistance thermique entre la paroi du tube chauffé à la vapeur-et l'électrolyte. Pour le manchon composite graphite-PTFE d'une épaisseur de 0,5 mm, la résistance thermique supplémentaire est d'environ 0,001-0,002 m²·K/W, ce qui réduit la valeur U globale de 5 à 10 %. La surface de l'échangeur de chaleur est augmentée du même pourcentage pour compenser, garantissant ainsi que la demande thermique de conception est respectée.
La répartition du courant à travers le faisceau de tubes est régie par la résistance électrique de la couche conductrice et de l'électrolyte. Les tubes plus éloignés de la connexion du bus cathodique subissent un chemin de résistance légèrement plus élevé. L'épaisseur de la couche conductrice et le calibre du fil de liaison sont sélectionnés pour limiter la chute de tension à travers le faisceau à moins de 50 mV au courant de conception, garantissant ainsi une distribution uniforme du courant.
Résumé
Un échangeur de chaleur en PTFE modifié avec une couche conductrice externe sert à la fois de réchauffeur de procédé et de collecteur de courant cathodique dans les cellules électrochimiques. Des manchons composites PTFE remplis de graphite ou un treillis métallique résistant à la corrosion- assurent la fonction conductrice tout en maintenant l'inertie chimique. La paroi du tube PTFE isole le circuit vapeur du circuit électrique. La conception à double fonction- réduit la complexité des cellules et élimine le chauffage métallique séparé en tant que source de corrosion et de contamination.
Une assistance technique pour la conception d'un échangeur de chaleur combiné à chauffage-électrodes en PTFE est disponible sur soumission de la chimie de l'électrolyte, de la température de fonctionnement, des exigences de densité de courant et de la géométrie des cellules.
