ES2965402T3 - Nuevas características de flujo para células electroquímicas tubulares concéntricas autolimpiantes - Google Patents

Nuevas características de flujo para células electroquímicas tubulares concéntricas autolimpiantes Download PDF

Info

Publication number
ES2965402T3
ES2965402T3 ES18784594T ES18784594T ES2965402T3 ES 2965402 T3 ES2965402 T3 ES 2965402T3 ES 18784594 T ES18784594 T ES 18784594T ES 18784594 T ES18784594 T ES 18784594T ES 2965402 T3 ES2965402 T3 ES 2965402T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
electrochemical cell
self
fluid
velocity
separator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES18784594T
Other languages
English (en)
Inventor
Joshua Griffis
Li-Shiang Liang
Andrew Green
Paul Beddoes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evoqua Water Technologies LLC
Original Assignee
Evoqua Water Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evoqua Water Technologies LLC filed Critical Evoqua Water Technologies LLC
Application granted granted Critical
Publication of ES2965402T3 publication Critical patent/ES2965402T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/24—Halogens or compounds thereof
    • C25B1/26—Chlorine; Compounds thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
    • C02F1/4672—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation
    • C02F1/4674—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation with halogen or compound of halogens, e.g. chlorine, bromine
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/036—Bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/34—Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis
    • C25B1/46—Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis in diaphragm cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/13—Single electrolytic cells with circulation of an electrolyte
    • C25B9/15—Flow-through cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/01—Control of flow without auxiliary power
    • G05D7/0186—Control of flow without auxiliary power without moving parts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/30—Deferred-action cells
    • H01M6/32—Deferred-action cells activated through external addition of electrolyte or of electrolyte components
    • H01M6/34—Immersion cells, e.g. sea-water cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/42—Grouping of primary cells into batteries
    • H01M6/46—Grouping of primary cells into batteries of flat cells
    • H01M6/48—Grouping of primary cells into batteries of flat cells with bipolar electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/52—Reclaiming serviceable parts of waste cells or batteries, e.g. recycling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46119—Cleaning the electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46128—Bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C02F2001/46142—Catalytic coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46152—Electrodes characterised by the shape or form
    • C02F2001/46171—Cylindrical or tubular shaped
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/42—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from bathing facilities, e.g. swimming pools
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/002—Construction details of the apparatus
    • C02F2201/003—Coaxial constructions, e.g. a cartridge located coaxially within another
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/4611—Fluid flow
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/22—Eliminating or preventing deposits, scale removal, scale prevention
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/84—Recycling of batteries or fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Detergent Compositions (AREA)
  • Cleaning In General (AREA)

Abstract

Se describen celdas electroquímicas autolimpiantes, sistemas que incluyen celdas electroquímicas autolimpiantes y métodos para operar celdas electroquímicas autolimpiantes. La celda electroquímica autolimpiante puede incluir una pluralidad de electrodos concéntricos dispuestos en una carcasa, por ejemplo, un cátodo y un ánodo, un canal de fluido definido entre los electrodos concéntricos, un separador que reside entre los electrodos concéntricos, tapas de extremo primera y segunda acopladas. a los respectivos extremos de la carcasa, y un cono de entrada. Los separadores pueden configurarse para localizar los electrodos y dimensionarse para minimizar una zona de velocidad reducida que se produce aguas abajo del separador. Las tapas de los extremos y el cono de entrada pueden dimensionarse para mantener un flujo completamente desarrollado y minimizar la caída de presión a través de la celda electroquímica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Nuevas características de flujo para células electroquímicas tubulares concéntricas autolimpiantes
Campo de la tecnología
Los aspectos y realizaciones descritos en la presente memoria están generalmente dirigidos a dispositivos electroquímicos y, más específicamente, a celdas y dispositivos de electro-cloración, y sistemas que los utilizan. El documento WO95/21795 describe un aparato que comprende dos electrodos para tratar líquidos generando electrolíticamente oxígeno disuelto dentro del agua.
El documento AU4905072 describe métodos de cloración de piscinas que incluyen la adición de cloro gaseoso o productos químicos que producen cloro.
El documento US2003/213704 describe un aparato lavavajillas automático que comprende una celda electroquímica independiente capaz de generar agua electrolizada en el ciclo de lavado y/o de enjuagado.
Compendio
La invención es tal como se reivindica en las reivindicaciones.
En algunas realizaciones, la desviación de velocidad de la media en la longitud predeterminada puede ser menor que ± 5% de la velocidad de flujo promedio de la solución electrolítica. La desviación de velocidad de la media en la longitud predeterminada puede ser menor que ± 2% de la velocidad de flujo promedio de la solución electrolítica.
La longitud predeterminada puede ser inferior a aproximadamente 120 mm para agua de mar que fluye a través del canal de fluido a una velocidad de flujo promedio de entre 2 y 2,5 m/s. La longitud predeterminada puede ser inferior a aproximadamente 60 mm.
Se puede seleccionar un número de salientes y una longitud y ancho de cada saliente para mantener la zona de velocidad reducida a menos de la longitud predeterminada.
La celda electroquímica autolimpiante puede contener una pluralidad de cátodos y una pluralidad de ánodos dispuestos concéntricamente alrededor del eje central del alojamiento. Se puede definir uno respectivo de una pluralidad de canales de fluido entre cada cátodo y ánodo adyacentes. Cada canal de fluido puede extenderse sustancialmente paralelo al eje central.
La celda electroquímica autolimpiante puede incluir una pluralidad de separadores. Cada separador puede configurarse para mantener uno respectivo de la pluralidad de canales de fluido, la pluralidad de separadores puede incluir cada uno, un anillo y una pluralidad de salientes que se extienden desde el anillo. En algunas realizaciones, el separador puede configurarse para acoplarse con al menos uno del cátodo y el ánodo.
Según otro aspecto, se proporciona un sistema que comprende una celda electroquímica autolimpiante como se reivindica y una fuente de solución electrolítica. La celda electroquímica autolimpiante puede tener una entrada y una salida de comunicación de fluido con el canal de fluido. La fuente de la solución electrolítica puede tener una salida que se puede conectar de manera fluida a la entrada de la celda electroquímica autolimpiante y configurada para suministrar la solución electrolítica a una velocidad de flujo promedio a través del canal de fluido de 2 m/s o mayor. La celda electroquímica autolimpiante puede configurarse para producir un compuesto de producto a partir de la solución electrolítica y para emitir una solución de producto que comprende el compuesto de producto. La celda electroquímica autolimpiante puede conectarse de manera fluida a un punto de uso a través de la salida.
En algunas realizaciones, la fuente de la solución electrolítica puede comprender al menos uno de entre agua de mar, agua salobre y salmuera. El sistema puede incluir una pluralidad de celdas electroquímicas autolimpiantes dispuestas en serie.
La descripción contempla todas las combinaciones de uno cualquiera o más de los aspectos y/o realizaciones anteriores, así como combinaciones con una cualquiera o más de las realizaciones establecidas en la descripción detallada y en cualquier ejemplo.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos no están diseñados para ser dibujados a escala. En los dibujos, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en varias figuras está representado por el mismo número. Para mayor claridad, no todos los componentes pueden estar etiquetados en cada dibujo. En los dibujos:
La FIG. 1A es una vista isométrica de un ejemplo de una celda electroquímica de tubo concéntrico;
La FIG. 1B es una vista en sección transversal de la celda electroquímica de tubo concéntrico de la FIG. 1A; La FIG. 1C incluye una vista en alzado y una vista en sección transversal de la celda electroquímica de tubo concéntrico de la FIG. 1A;
La FIG. 1D es una vista isométrica alternativa de la celda electroquímica de tubo concéntrico de la FIG. 1A;
La FIG. 2A ilustra el flujo de corriente a través de un ejemplo de una celda electroquímica de tubo concéntrico;
La FIG. 2B ilustra el flujo de corriente a través de otra realización de una celda electroquímica de tubo concéntrico; La FIG.2C ilustra el flujo de corriente a través de otra realización de una celda electroquímica de tubo concéntrico; La FIG. 3A es una vista en sección transversal de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 3B es una vista en sección transversal ampliada de una porción de la celda electroquímica de la FIG. 3A;
La FIG. 3C es una vista en sección transversal de la celda electroquímica ejemplar de la FIG. 3A;
La FIG. 4 es un mapa de contorno del perfil de velocidad a lo largo de un canal de fluido de una celda electroquímica, según algunas realizaciones;
La FIG. 5 es un mapa de contorno del perfil de velocidad a lo largo de un canal de fluido de una celda electroquímica, según una realización alternativa;
La FIG. 6A es una vista isométrica de un separador, según una realización;
La FIG. 6B es una vista en alzado de un saliente en un separador, según una realización;
La FIG. 6C es una vista en planta de un saliente en un separador, según una realización;
La FIG. 6D es una vista isométrica de un saliente en un separador, según una realización;
La FIG. 7A es una vista isométrica de separadores colocados entre tubos de electrodos, según una realización;
La FIG. 7B es una vista en alzado de los separadores y electrodos de la FIG. 7A;
La FIG. 7C es una vista isométrica de un separador, según una realización;
La FIG. 7D contiene vistas en alzado del separador de la FIG. 7C;
La FIG. 8A es una vista en alzado de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 8B es una vista en sección transversal de la celda electroquímica de la FIG. 8A;
La FIG. 9A es una vista en planta desde la parte superior de una tapa de extremo, según una realización; La FIG. 9B es una vista en planta desde la parte inferior de la tapa de extremo de la FIG. 9A;
La FIG. 9C es una vista en alzado de la tapa de extremo de la FIG. 9A;
La FIG. 9D es una vista en sección transversal de la tapa de extremo de la FIG. 9A;
La FIG. 10A es una vista en sección transversal de una porción de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 10B es una vista despiezada ordenadamente de la porción de la celda electroquímica de la FIG. 10A;
La FIG. 11A es una vista en sección transversal de una porción de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 11B es una vista isométrica de una porción de una celda electroquímica, según otra realización;
La FIG. 12 es un mapa de contorno de caída de presión a través de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 13A es un mapa de contorno de la presión de entrada en una tapa de extremo de entrada de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 13B es un mapa de contorno alternativo de la presión de entrada en una tapa de extremo de entrada de una celda electroquímica, según otra realización;
La FIG. 13C es un mapa de contorno alternativo de la presión de entrada en una tapa de extremo de entrada de una celda electroquímica, según otra realización;
La FIG. 14A es una colección de mapas de contorno de presión de entrada en una tapa de extremo de entrada de una celda electroquímica con realizaciones de cono de entrada variable;
La FIG. 14B es un gráfico de caída de presión versus ángulo del cono para las realizaciones del cono de entrada de la FIG. 14A;
La FIG. 15A es una vista en sección transversal de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 15B es un mapa de contorno de la presión de salida en una tapa de salida de una celda electroquímica con un tronco de salida, según una realización;
La FIG. 16 es una vista isométrica de una porción de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 17A es una vista isométrica de una porción de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 17B es una vista isométrica de otra porción de la celda electroquímica de la FIG. 17A;
La FIG. 17C es una vista isométrica de otra porción de la celda electroquímica de la FIG. 17A;
La FIG. 18A es una vista isométrica de una porción de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 18B es una vista en planta de la porción de la celda electroquímica de la FIG. 18A;
La FIG. 19A es una vista despiezada ordenadamente de un separador, según una realización;
La FIG. 19B es una vista en planta del separador de la FIG. 19A;
La FIG. 19C es una vista en sección transversal del separador de la FIG. 19A;
La FIG. 20A es una vista isométrica de una parte de un separador, según una realización;
La FIG. 20B es una vista en alzado del separador de la FIG. 20A;
La FIG. 20C es una vista en sección transversal del separador de la FIG. 20A;
La FIG. 21A es una vista isométrica de un separador, según una realización;
La FIG. 21B es una vista en alzado del separador de la FIG. 21A;
La FIG. 21C es una vista en sección transversal del separador de la FIG. 21A;
La FIG. 21D es una vista despiezada ordenadamente del separador de la FIG. 21A;
La FIG. 22 es un gráfico de la desviación de velocidad de la media aguas abajo de un separador, según una realización;
La FIG. 23A es una vista en sección transversal de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 23B es una vista ampliada de una porción de la celda electroquímica de la FIG. 23A;
La FIG. 23C es una vista en alzado de un conector eléctrico de una celda electroquímica, según una realización; La FIG. 23D es una vista isométrica del conector eléctrico de la FIG. 23C;
La FIG. 24A es una vista en alzado de un conector eléctrico, según una realización;
La FIG. 24B es una vista ampliada de una porción del conector eléctrico de la FIG. 24A;
La FIG. 24C es una vista lateral de una porción del conector eléctrico de la FIG. 24A;
La FIG. 25A es una vista isométrica de una porción de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 25B incluye mapas de contorno de distribución de corriente a través de la porción de la celda electroquímica de la FIG. 25A;
La FIG. 25C es un mapa de contorno de temperatura alrededor de un conector eléctrico de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 25D es un mapa de contorno de velocidad aguas abajo de un conector eléctrico de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 26A es una vista en alzado de una conexión eléctrica de una celda electroquímica, según una realización; La FIG. 26B es una vista en alzado de una conexión eléctrica alternativa de una celda electroquímica, según otra realización;
La FIG. 26C es un mapa de contorno de vista superior de la distribución de corriente alrededor de las conexiones eléctricas de la FIG. 26A (izquierda) y FIG. 26B (derecha);
La FIG. 26D es un mapa de contorno de vista lateral de la distribución de corriente alrededor de las conexiones eléctricas de la FIG. 26a (izquierda) y FIG. 26B (derecha);
La FIG. 27A es una vista en alzado de una conexión eléctrica de una celda electroquímica, según una realización; La FIG. 27B es una vista en alzado de una conexión eléctrica alternativa de una celda electroquímica, según otra realización;
La FIG. 27C es un mapa de contorno de vista superior de la distribución de corriente alrededor de las conexiones eléctricas de la FIG. 27A (izquierda) y FIG. 27B (derecha);
La FIG. 27D es un mapa de contorno de vista lateral de la distribución de corriente alrededor de las conexiones eléctricas de la FIG. 27a (izquierda) y FIG. 27B (derecha);
La FIG. 28A es un mapa de contorno de la velocidad del flujo a través de una celda electroquímica que incluye el conector eléctrico de la FIG. 26A;
La FIG. 28B es un mapa de contorno de la velocidad del flujo a través de una celda electroquímica que incluye el conector eléctrico de la FIG. 26B;
La FIG. 28C es un mapa de contorno de la velocidad del flujo a través de una celda electroquímica que incluye el conector eléctrico de la FIG. 27A;
La FIG. 28D es un mapa de contorno de la velocidad del flujo a través de una celda electroquímica que incluye el conector eléctrico de la FIG. 27B;
La FIG. 29A es una vista isométrica de un conjunto de conector eléctrico y separador de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 29B es una vista en planta del conjunto de conector eléctrico y separador de la FIG. 29A;
La FIG. 30 incluye mapas de contorno de velocidad de flujo a través de una celda electroquímica, según una realización;
La FIG. 31 incluye mapas de contorno de la velocidad de flujo a través de una celda electroquímica, según una realización; y
La FIG. 32 incluye mapas de contorno de la velocidad de flujo a través de una celda electroquímica, según una realización.
Descripción detallada
Los aspectos y realizaciones descritos en la presente memoria no se limitan a los detalles de construcción y la disposición de los componentes expuestos en la siguiente descripción o ilustrados en los dibujos. Los aspectos y realizaciones descritos en la presente memoria se pueden poner en práctica o llevar a cabo de diversas maneras. Esta descripción describe diversas realizaciones de celdas de electro-cloración y dispositivos de electro-cloración; sin embargo, esta descripción no se limita a celdas o dispositivos de electro-cloración y los aspectos y realizaciones descritos en la presente memoria son aplicables a celdas electrolíticas y electroquímicas utilizadas para cualquiera de múltiples propósitos.
Los dispositivos electroquímicos basados en reacciones químicas en electrodos se utilizan ampliamente en implementaciones industriales y municipales. Ejemplos de reacciones incluyen:
Electro-cloración con generación de hipoclorito de sodio a partir de cloruro de sodio y agua:
Reacción en el ánodo: 2Cl- ^ Cl<2>+ 2e-Reacción en el cátodo: 2Na+<2>H<2>O 2e- ^ 2NaOH H<2>
En solución: CI<2>+2OH- ^ CÍO' Cl- H2O
Reacción general: NaCI H<2>O ^ NaOCI H<2>
Generación de hidróxido de sodio y cloro a partir de cloruro de sodio y agua, con una membrana de intercambio catiónico que separa el ánodo y el cátodo:
Reacción en el ánodo: 2Cl' ^ Cl<2>+ 2e'
Reacción en el cátodo:<2>H<2>O 2e- ^ 2OH- H<2>
Reacción general: 2NaCl<2>H<2>O ^ 2NaOH Cl<2>+H<2>
Batería redox de vanadio para almacenamiento de energía, con una membrana permeable a protones que separa los electrodos:
Durante la carga:
Reacción en el 1er electrodo: V3+ e- ^ V2+
Reacción en el segundo electrodo: V4+ ^ V5+ e'
Durante la descarga:
Reacción en el 1er electrodo: V2+ ^ V3+ e-
Reacción en el segundo electrodo: V5+ e- ^ V4+
Las celdas de electro-cloración se pueden utilizar en implementaciones marinas, lejos de la costa, municipales, industriales y comerciales. Los parámetros de diseño de dispositivos electroquímicos, por ejemplo, la separación entre electrodos, el grosor de los electrodos y la densidad del recubrimiento, las áreas de los electrodos, los métodos de conexiones eléctricas, etc., se pueden optimizar para diferentes implementaciones.
Eliminación del gas H<2>generado en los cátodos es un desafío importante en el diseño de dispositivos electroquímicos y del sistema en general. El gas debe ventilarse de manera segura en ubicaciones seleccionadas de la tubería o en los depósitos de producto. En algunas realizaciones, se puede introducir un oxidante para mitigar la generación de gas H<2>, opcionalmente generando H<2>O<2>.
Los aspectos y realizaciones descritos en la presente memoria se dirigen generalmente a dispositivos electroquímicos para generar desinfectantes tales como hipoclorito de sodio. Debe entenderse que los términos "dispositivo electroquímico" y "celda electroquímica" y sus variaciones gramaticales abarcan "dispositivos de electro-cloración" y "celdas de electro-cloración" y sus variaciones gramaticales.
Como se describe en la presente memoria, los aspectos y realizaciones se relacionan con celdas electroquímicas tubulares concéntricas (CTE). La FIG. 1A muestra una celda electroquímica ejemplar 100 con tubos concéntricos dispuestos dentro de un alojamiento 116. La superficie interior del tubo exterior y la superficie exterior del tubo interior incluyen las áreas de electrodos activos. Como se ve en la FIG. 1B, la solución electrolítica alimentada fluye entre los tubos concéntricos 102, 104 a través de una longitud de la celda electroquímica 100. Se crea un canal de flujo mediante un espacio entre los tubos concéntricos, como se muestra en la FIG. 1D.
El espacio entre los electrodos en esta realización ejemplar es de aproximadamente 3,5 mm. Para ciertas aplicaciones (por ejemplo, aplicaciones marinas y lejos de la costa) con agua de mar como alimentación, la velocidad del líquido a través del canal de fluido puede ser mayor que 2,0 m/s, por ejemplo, del orden de 2,1 m/s, hasta 3 m/s, hasta 3,5 m/s, hasta 6 m/s o hasta 10 m/s, lo que da como resultado un flujo muy turbulento que reduce el potencial de suciedad e incrustaciones en las superficies de los electrodos.
La celda electroquímica 100 puede incluir tapas 106, 108 de extremo y una tapa central 110 como se muestra en la FIG. 1C. La celda electroquímica puede incluir conos 112, 114 como se muestra en las FIGS. 1B y 1C. Se pueden prever conos 112, 114 en el electrodo interno para dirigir la solución electrolítica de alimentación hacia el espacio entre los tubos concéntricos 102, 104. Se pueden colocar separadores (características de alineación) en una o más de las tapas de entrada, salida y centro para mantener una posición interna de los tubos concéntricos y definir el espacio. Las tapas de extremo, los conos y los separadores tienen un impacto en la velocidad del flujo y la caída de presión a través de la celda electroquímica. La disminución de la velocidad del flujo puede aumentar el potencial de ensuciamiento e incrustaciones, lo que da como resultado una mayor necesidad de mantenimiento. En sistemas con múltiples celdas electroquímicas dispuestas en serie, la caída de presión a través de cada celda electroquímica tiene un efecto acumulativo en el sistema. Según ciertas realizaciones descritas en la presente memoria, se pueden diseñar una o más características para reducir el impacto sobre la velocidad del flujo y la caída de presión dentro de la celda electroquímica. Además, se pueden diseñar una o más características para simplificar la fabricación de celdas electroquímicas y sus componentes. Como se describe en la presente memoria, las características pueden diseñarse mediante funciones matemáticas o generarse libremente. En algunas realizaciones, las características pueden generarse o diseñarse empíricamente utilizando software de dinámica de fluidos computacional (CFD).
Los aspectos y realizaciones descritos en la presente memoria se describen incluyendo uno o más electrodos. Se debe entender que el término "electrodos metálicos" o variaciones gramaticales del mismo como se usa en la presente memoria abarca electrodos formados a partir de, que comprenden o que consisten de uno o más metales, por ejemplo, titanio, aluminio o níquel, aunque el término "electrodo metálico" no excluye electrodos, que incluyen o consisten de otros metales o aleaciones. En algunas realizaciones, un "electrodo metálico" puede incluir múltiples capas de diferentes metales. Los electrodos metálicos utilizados en una cualquiera o más de las realizaciones descritas en la presente memoria pueden incluir un núcleo de un metal de alta conductividad, por ejemplo, cobre o aluminio, recubierto con un metal u óxido metálico que tiene una alta resistencia al ataque químico por soluciones electrolíticas, por ejemplo, una capa de titanio, platino, un óxido metálico mixto (MMO), magnetita, ferrita, espinela de cobalto, tantalio, paladio, iridio, plata, oro u otros materiales de recubrimiento.
Los "electrodos metálicos" pueden estar recubiertos con un recubrimiento resistente a la oxidación, por ejemplo, pero sin limitarse a, platino, un óxido metálico mixto (MMO), magnetita, ferrita, espinela de cobalto, tantalio, paladio, iridio, plata, oro u otros materiales de recubrimiento. Los óxidos metálicos mixtos utilizados en las realizaciones descritas en la presente memoria pueden incluir un óxido o óxidos de uno o más de rutenio, rodio, tantalio (opcionalmente aleado con antimonio y/o manganeso), titanio, iridio, zinc, estaño, antimonio, una aleación de titanio-níquel, una aleación de titanio-cobre, una aleación de titanio-hierro, una aleación de titanio-cobalto u otros metales o aleaciones apropiados. Los ánodos utilizados en las realizaciones descritas en la presente memoria pueden estar recubiertos con platino y/o un óxido u óxidos de uno o más de iridio, rutenio, estaño, rodio o tantalio (opcionalmente aleado con antimonio y/o manganeso). Los cátodos utilizados en las realizaciones descritas en la presente memoria pueden estar recubiertos con platino y/o un óxido u óxidos de uno o más de iridio, rutenio y titanio. En algunas realizaciones, tanto el ánodo como el cátodo están recubiertos de manera similar para permitir la inversión periódica de polaridad de los electrodos. Los electrodos utilizados en las realizaciones descritas en la presente memoria pueden incluir una base de uno o más de titanio, tantalio, circonio, niobio, tungsteno y/o silicio. Los electrodos para cualquiera de las celdas electroquímicas descritas en la presente memoria pueden formarse como o a partir de placas, láminas, papeles metálicos, extrusiones y/o sinterizados.
El término "tubo" como se usa en la presente memoria incluye conductos cilíndricos, sin embargo, no excluye conductos que tienen otras geometrías de sección transversal, por ejemplo, conductos que tienen geometrías cuadradas, rectangulares, ovaladas u oblongas o geometrías de sección transversal con forma de cualquier polígono regular o irregular.
Los términos "tubos concéntricos" o "espirales concéntricas" como se usan en la presente memoria incluyen tubos o espirales entrelazadas que comparten un eje central sustancialmente común, pero no excluyen tubos o espirales entrelazadas que rodean un eje sustancialmente común que no es necesariamente central a cada uno de los tubos concéntricos o espirales entrelazadas en un conjunto de tubos concéntricos o espirales entrelazadas.
Según un aspecto, una celda electroquímica incluye electrodos de tubos concéntricos. Al menos algunos de los electrodos de tubos concéntricos pueden ser monopolares o bipolares. El electrodo de tubo interior puede ser un ánodo que tenga un revestimiento resistente a la oxidación, por ejemplo, platino o MMO. El electrodo de tubo exterior puede no tener recubrimiento y actuar como cátodo. Alternativamente, el electrodo de tubo interior puede actuar como un cátodo y el electrodo de tubo exterior puede actuar como un ánodo. En algunas realizaciones, ambos electrodos están recubiertos para permitir la inversión de polaridad.
Los electrodos en la realización ejemplar pueden ser monopolares de modo que la corriente pase a través del electrolito una vez por electrodo. Cada uno de los electrodos puede incluir un tubo de titanio. El conector eléctrico del ánodo puede estar en comunicación eléctrica con el electrodo del tubo exterior. El conector eléctrico del cátodo puede estar en comunicación eléctrica con el electrodo del tubo interior. Si hay un electrodo de tubo intermedio, puede estar en comunicación eléctrica con el electrodo de tubo interior, el electrodo de tubo exterior o con ambos. En algunas realizaciones, el electrodo de tubo intermedio puede ser un ánodo que tiene un recubrimiento resistente a la oxidación, por ejemplo, platino o MMO, tanto en la superficie interior como en la exterior para aprovechar al máximo la superficie. El ánodo del tubo intermedio puede estar rodeado por dos electrodos que actúan como cátodos.
Las Figs. 2A-2D muestran algunas posibles disposiciones ejemplares de electrodos en una celda electroquímica CTE. La FIG. 2A ilustra una disposición ejemplar en donde la corriente fluye en una pasada desde el ánodo al cátodo. Ambos electrodos pueden estar fabricados de titanio, con el ánodo recubierto de platino o de un óxido metálico mixto (MMO). Dichos electrodos se denominan "monopolares".
Los electrodos en el ejemplo pueden ser bipolares de modo que la corriente pase a través del electrolito más de una vez por electrodo. En un ejemplo, un extremo de un electrodo de tubo bipolar (en algunas realizaciones, aproximadamente la mitad del electrodo) puede estar sin recubrir para funcionar como cátodo y la otra porción de extremo (en algunos ejemplos, aproximadamente la mitad del electrodo) puede estar recubierta con un recubrimiento resistente a la oxidación, por ejemplo, platino o MMO, para funcionar como un ánodo. El electrodo de tubo bipolar puede estar encajado dentro de los electrodos de tubo de ánodo y cátodo, rodeando cada electrodo de tubo una porción extrema del electrodo bipolar. Un electrodo de tubo de ánodo y un electrodo de tubo de cátodo que tienen un diámetro común pueden desplazarse lateralmente a lo largo de una longitud de la celda electroquímica. El electrodo de tubo bipolar puede orientarse para permitir que la corriente fluya en dos pasadas a través de la solución electrolítica que pasa entre el electrodo de tubo bipolar, el electrodo de tubo de ánodo y el electrodo de tubo de cátodo.
Insertando electrodos de tubo bipolar adicionales y superponiendo los respectivos electrodos de tubo de ánodo y los electrodos de tubo de cátodo de manera que se proporcionen electrodos de tubo de ánodo y de cátodo en lados alternativos de una pluralidad de electrodos de tubo bipolar a lo largo de una dirección axial a través de la celda electroquímica, la celda se puede ensamblar para proporcionar tres o más pasadas de corriente, esquemáticamente similar al electrodo de placa paralela (PPE) de múltiples pasadas.
La FIG. 2B ilustra una disposición ejemplar en donde la corriente fluye en dos pasadas a través del dispositivo con dos electrodos exteriores y un electrodo interior. Uno de los electrodos exteriores está recubierto en la superficie interior, por ejemplo, para servir como un ánodo; el otro no está recubierto. Una parte de la superficie exterior del electrodo interior está recubierta, por ejemplo, para que sirva también como un ánodo, y la parte restante no está recubierta. La corriente fluye a través del electrolito desde el electrodo exterior recubierto hasta la parte no recubierta del electrodo interior, a lo largo del electrodo interior hasta la parte recubierta y finalmente regresa a través del electrolito hasta el electrodo exterior no recubierto. El electrodo interior también se denomina electrodo "bipolar".
La FIG. 2C ilustra una disposición en donde la corriente fluye en múltiples pasadas a través del dispositivo con múltiples electrodos exteriores y un electrodo interior. Al alternar porciones de cátodo y ánodo y recubrir los electrodos cuando sea necesario, la corriente puede fluir hacia adelante y hacia atrás a través del electrolito en múltiples pasadas. El número de pasadas se puede ampliar en consecuencia.
Según un ejemplo, una celda electroquímica incluye una pluralidad de electrodos tubulares concéntricos. En las realizaciones descritas en la presente memoria que incluyen múltiples electrodos de tubo de ánodo o de cátodo, los múltiples electrodos de tubo de ánodo pueden denominarse colectivamente como el ánodo o el tubo de ánodo, y los múltiples electrodos de tubo de cátodo pueden denominarse colectivamente como el cátodo o el tubo de cátodo. En realizaciones que incluyen múltiples electrodos de tubo de ánodo y/o múltiples electrodos de tubo de cátodo, los múltiples electrodos de tubo de ánodo y/o los múltiples electrodos de tubo de cátodo pueden denominarse colectivamente en el presente documento como un par ánodo-cátodo.
La celda electroquímica puede incluir, por ejemplo, tres, cuatro o cinco tubos concéntricos. En algunas realizaciones, la celda electroquímica puede incluir tres o cuatro electrodos de tubo concéntricos, con dos electrodos de tubo exteriores y uno o dos electrodos de tubo interiores. Una celda electroquímica de cuatro tubos puede funcionar de manera similar a una celda electroquímica de tres tubos, excepto en que una solución electrolítica puede fluir a través de tres canales de fluido en lugar de dos. El tubo de electrodo adicional puede proporcionar una superficie de electrodo catódico, una superficie de electrodo anódico y un canal de fluido adicionales. De manera similar, una celda electroquímica que incluye cinco electrodos tubulares puede incluir dos tubos exteriores, tres tubos interiores y cuatro canales de fluido. El quinto tubo de electrodo puede proporcionar aún una superficie de electrodo de cátodo, una superficie de electrodo de ánodo y un canal de fluido adicionales. El número de tubos, el número de pasadas y la configuración de electrodos (monopolar o bipolar) pueden variar. El número de tubos, el número de pasadas y la configuración de los electrodos se pueden seleccionar basándose en el uso deseado de la celda electroquímica.
Las disposiciones de electrodos de múltiples tubos tal como se describen en la presente memoria aumentan progresivamente el área activa por unidad de volumen. Con un número cada vez mayor de múltiples tubos utilizados en celdas y dispositivos electroquímicos o de electro-cloración que incluyen múltiples electrodos de tubo concéntricos, el diámetro del tubo más interior resultará cada vez más pequeño con menos área de superficie activa por tubo. Sin embargo, el resultado general es que el electrodo de múltiples tubos tendrá una superficie significativamente más activa en comparación con otros dispositivos de electrodos CTE.
Tal como se utiliza el término en la presente memoria, una "densidad activa" de una celda electroquímica se define como la relación del área en sección transversal entre las superficies de los electrodos activos o funcionales (superficies de los electrodos desde o hacia las cuales fluye la corriente que contribuye al tratamiento electroquímico de un fluido en la celda electroquímica) a través de la cual el fluido sometido a tratamiento en la celda electroquímica puede fluir (un "área activa" de la celda electroquímica) hasta un área en sección transversal total dentro de un alojamiento de la celda electroquímica. La "densidad activa", tal como se define, es el área en un plano normal al eje central a través del cual puede fluir el fluido, dividida por el área de la sección transversal total normal al eje central. La unidad de medida no tiene dimensiones, una fracción o un porcentaje. Los aspectos y realizaciones descritos en la presente memoria incluyen celdas electroquímicas que tienen densidades activas de entre aproximadamente el 46% y aproximadamente el 52%, mayor que aproximadamente el 50%, en algunas realizaciones, mayor que aproximadamente el 75%, en algunas realizaciones, mayor del 85%, en algunas realizaciones, mayor del 90%, y en algunas realizaciones hasta aproximadamente el 95%.
Tal como se utiliza el término en la presente memoria, una "densidad de empaquetamiento general" de una celda electroquímica se define como la longitud total de la trayectoria funcional del electrodo en un plano normal al flujo de fluido a través de una celda electroquímica con respecto a un área en sección transversal total dentro de un alojamiento de la celda electroquímica. La "densidad de empaquetamiento" es el "área de superficie activa" de los electrodos en un dispositivo electroquímico, dividida por el volumen interno total del dispositivo. La unidad de medida es 1 /longitud (por ejemplo, m-1). Un "área de superficie activa" de un electrodo es el área de superficie del electrodo desde o hacia la cual fluye la corriente que contribuye a las reacciones electroquímicas dentro de un dispositivo electroquímico. Un electrodo que tiene superficies opuestas puede tener un área de superficie activa en una única superficie o en ambas superficies. Una "densidad de embalaje anódico" es el "área de superficie activa" del o de los ánodos en un dispositivo electroquímico, dividida por el volumen interno total del dispositivo. Una "densidad de empaquetamiento catódico" es el "área de superficie activa" del o de los cátodos en un dispositivo electroquímico, dividida por el volumen interno total del dispositivo. Una "densidad de empaquetamiento general de electrodos" o "densidad de embalaje total de electrodos" es la suma de la densidad de empaquetamiento anódico y la densidad de empaquetamiento catódico de un dispositivo electroquímico. Los aspectos y realizaciones de las celdas electroquímicas descritas en la presente memoria pueden tener densidades de empaquetamiento anódico, densidades de empaquetamiento catódico y/o densidades de empaquetamiento de electrodos generales de 2 mm.-1 o más.
Según ciertas realizaciones, los tubos de ánodo y/o cátodo de una celda electroquímica pueden tener aberturas para permitir que el hidrógeno generado en reacciones electroquímicas fluya a través de los electrodos más fácilmente y reduzca los efectos de enmascaramiento del hidrógeno en la superficie o superficies del electrodo. El enmascaramiento de hidrógeno reduce el área de ánodo disponible y, posteriormente, la producción de hipoclorito de sodio. Adicional o alternativamente, el o los ánodos y/o el o los cátodos pueden incluir un material permeable a los fluidos y/o perforado o de malla, por ejemplo, titanio perforado o una malla de titanio. La celda electroquímica puede incluir un conducto de gas para el suministro de oxidante para combinarlo con el hidrógeno producido, por ejemplo, mediante reacciones de electro-cloración, en la celda y producir agua o peróxido de hidrógeno. En algunas realizaciones, se proporciona un catalizador, por ejemplo, sobre y/o dentro de los cátodos para facilitar la reacción del oxidante y el hidrógeno en la celda.
El área superficial de los electrodos se puede aumentar mediante el uso de ondulaciones. La celda electroquímica puede incluir uno de ánodos o cátodos que son ondulados, mientras que el otro de los ánodos o cátodos no es ondulado. La celda electroquímica puede incluir una geometría de electrodo ondulado multicanal. En otras realizaciones, los ánodos y cátodos pueden tener formas de curvatura diferentes a las ilustradas para proporcionar una mayor área de superficie del electrodo. Sin embargo, cabe señalar que las ondulaciones pueden aumentar la turbulencia, disminuyendo correspondientemente la velocidad promedio del flujo a través de la celda electroquímica. Por lo tanto, las celdas de electrodos ondulados pueden requerir una mayor velocidad del flujo de entrada para compensar.
El área de superficie para la reducción de hidrógeno en o dentro de los cátodos se puede aumentar mediante el uso de múltiples cátodos de difusión de gas por ánodo. Los múltiples cátodos de difusión de gas pueden ser suministrados con gas (oxidante), por ejemplo, oxígeno, a través de conductos de gas axiales o paralelos.
Los aspectos y realizaciones de las celdas electroquímicas descritas en la presente memoria pueden incluir ánodos y cátodos (o pares ánodo-cátodo) que están configurados y dispuestos para dirigir sustancialmente todo o todo el fluido que pasa a través de áreas activas o espacios entre los ánodos y cátodos en una dirección sustancial o completamente paralela a un eje central de un alojamiento. En algunas realizaciones, los espacios pueden denominarse canales de fluido. Los canales de fluido pueden tener una longitud de entre 0,5 m y 2,0 m, por ejemplo, aproximadamente 1,0 m. En algunas realizaciones, los canales de fluido pueden extenderse al menos en 3,0 m. La dirección sustancial o completamente paralela a través de las áreas activas puede ser paralela o sustancialmente paralela a los ánodos y cátodos (o a los pares ánodo-cátodo). Todavía se puede considerar que el fluido que fluye a través de las áreas activas, fluye en la dirección sustancial o completamente paralela a través de las áreas activas incluso si el flujo de fluido exhibe turbulencia y/o vórtices durante el flujo a través de las áreas activas.
En algunos aspectos y realizaciones de celdas electroquímicas que incluyen electrodos de tubos concéntricos, por ejemplo, uno o más ánodos y/o cátodos como se describe en la presente memoria, los electrodos están configurados y dispuestos para dirigir fluido a través de uno o más espacios entre los electrodos en una dirección paralela a un eje central de la celda electroquímica (mostrada como una línea de puntos en la FIG. 3B). En algunos aspectos y realizaciones, los electrodos están configurados y dispuestos para dirigir todo el fluido introducido en la celda electroquímica a través de uno o más espacios entre los electrodos en una dirección paralela a un eje central de la celda electroquímica.
El ancho de los espacios entre los electrodos puede ser constante o variable. El ancho de los espacios entre los electrodos puede ser, por ejemplo, de entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 7 mm de ancho, entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 5 mm de ancho, o entre aproximadamente 3 mm y aproximadamente 5 mm de ancho. En algunas realizaciones, el ancho del espacio entre electrodos puede ser de aproximadamente 2,0 mm, aproximadamente 2,5 mm, aproximadamente 3,0 mm, aproximadamente 3,5 mm o aproximadamente 4,0 mm. El ancho del espacio y el diseño de la celda electroquímica se pueden seleccionar basándose en el tipo electrolítica que se ha de tratar en la celda electroquímica.
En una realización ejemplar, una solución electrolítica de alimentación fluye a través de los dos espacios anulares (es decir, canales de fluido) formados entre los tres electrodos tubulares. Se puede aplicar una tensión de CC, constante o variable, o en algunas realizaciones, una corriente de CA, a través de los conectores eléctricos del ánodo y del cátodo. La corriente puede fluir desde las superficies interior y exterior del ánodo (electrodo de tubo intermedio) simultáneamente a los cátodos interior y exterior (electrodo de tubo interior y electrodo de tubo exterior). La conexión eléctrica puede realizarse entre electrodos tubulares mediante uno o más puentes conductores, que pueden estar formados del mismo material que el electrodo, por ejemplo, titanio. Pueden ocurrir reacciones electroquímicas y químicas en las superficies de los electrodos y en la solución a granel para generar una solución de producto. Por ejemplo, pueden ocurrir reacciones electroquímicas y químicas en las superficies de los electrodos y en la solución a granel para generar una solución de producto en los canales de fluido formados entre los electrodos tubulares.
Los sistemas electroquímicos generalmente pueden alimentarse con salmuera, agua salobre o agua de mar, aunque la solución de alimentación no es limitante. Los parámetros de diseño de la celda electroquímica generalmente se pueden seleccionar basándose en la composición de la solución de alimentación y/o la composición deseada de una solución de producto. El agua de mar generalmente tiene una salinidad de entre aproximadamente 3,0 % y 4,0 %, por ejemplo, el agua de mar puede tener una salinidad de aproximadamente 3,5 %, 3,6 % o 3,7 %. El agua de mar comprende iones disueltos que incluyen sodio, cloruro, magnesio, sulfato y calcio. El agua de mar puede incluir además uno o más de azufre, potasio, bromuro, carbono y vanadio. El agua de mar puede tener un contenido total de sólidos disueltos (TDS) de aproximadamente 35.000 mg/l. La salmuera generalmente tiene una salinidad superior a aproximadamente el 3,5%. Por ejemplo, la salmuera puede tener una salinidad de aproximadamente 4,0%, 4,5%, 5,0%, 7,5% o aproximadamente 10%. La salmuera puede tener un contenido de TDS superior a aproximadamente 35.000 mg/l. La salmuera saturada puede tener una salinidad de hasta aproximadamente 25,0%. El agua salobre generalmente tiene una salinidad inferior al 3,5%. El agua salobre puede tener una salinidad de aproximadamente 3,0%, 2,5%, 2,0% o 1,0%. El agua salobre puede tener un contenido de TDS inferior a aproximadamente 35.000 mg/l. Por ejemplo, el agua salobre puede tener un contenido de TDS entre aproximadamente 1.000 mg/l y aproximadamente 10.000 mg/l.
En general, la conductividad de la solución electrolítica puede ser de entre aproximadamente 0 y 25 S/cm, dependiendo de la salinidad. El agua salobre que tiene una salinidad entre aproximadamente 0,5% y 2,0% puede tener una conductividad de entre aproximadamente 0,5 S/cm y aproximadamente 4,0 S/cm, por ejemplo, aproximadamente 0,8 S/cm o aproximadamente 3,0 S/cm. El agua de mar que tiene una salinidad de aproximadamente 3,5% puede tener una conductividad de entre aproximadamente 4,5 S/cm y 5,5 S/cm, por ejemplo, aproximadamente 5,0 S/cm o aproximadamente 4,8 S/cm. La salmuera que tiene una salinidad de entre aproximadamente 5,0 % y 10 % puede tener una conductividad de entre aproximadamente 7 S/cm y 13,0 S/cm, por ejemplo, aproximadamente 12,6 S/cm. La salmuera saturada que tiene una salinidad de aproximadamente 25 % puede tener una conductividad de entre aproximadamente 20,0 S/cm y aproximadamente 23,0 S/cm, por ejemplo, aproximadamente 22,2 S/cm. La salinidad y la conductividad pueden seguir la relación lineal: y = 0,9132x 1,6332, donde y es la conductividad (S/cm) y x es el porcentaje de salinidad (%NaCl).
Generalmente pueden producirse incrustaciones y ensuciamiento en regiones de baja velocidad dentro de la celda electroquímica. Convencionalmente, puede ser necesario un lavado ácido para eliminar las incrustaciones. El lavado ácido requiere desconectar la celda electroquímica, lo que limita la producción y el uso. Como se describe en la presente memoria, los componentes de la celda electroquímica pueden diseñarse para reducir las regiones de baja velocidad, reduciendo las incrustaciones y el ensuciamiento. La velocidad promedio del fluido requerida para mantener las propiedades de autolimpieza puede depender de las cualidades de la solución electrolítica. Como se usa en la presente memoria, la velocidad del fluido autolimpiante es la velocidad promedio del fluido en masa mediante la cual se puede minimizar sustancialmente la formación de incrustaciones. La velocidad del fluido autolimpiante puede seleccionarse para minimizar, limitar o reducir sustancialmente la formación de incrustaciones en la celda electroquímica. Mantener una velocidad de fluido autolimpiante y/o minimizar cualquier zona de velocidad reducida puede reducir sustancialmente o eliminar la necesidad de lavado ácido del dispositivo. Así, el dispositivo puede mantenerse en uso continuo durante periodos de tiempo mucho más largos, generalmente hasta que un electrodo o su recubrimiento se degraden.
Normalmente, para mantener la naturaleza autolimpiante de las celdas electroquímicas, por ejemplo, las celdas electroquímicas empleadas para tratar agua de mar, la velocidad del fluido en masa se puede mantener por encima de una velocidad promedio de 2 m/s. Por ejemplo, agua de mar o agua que tiene una concentración de magnesio de aproximadamente 1000 - 1400 ppm y una concentración de calcio de aproximadamente 300 - 450 ppm a temperatura ambiente (20 - 25 °C) puede requerir una velocidad de flujo promedio de aproximadamente 2 m/s o mayor para mantener las propiedades de autolimpieza. El agua de mar o agua que tiene mayor dureza, por ejemplo, hasta aproximadamente 500 ppm de Ca y 1800 ppm de Mg (agua del Mar Rojo) puede requerir una mayor velocidad de flujo promedio para mantener las propiedades de autolimpieza. Dicha agua de mar puede requerir una velocidad de flujo promedio de aproximadamente 2,5 m/s o 3,0 m/s para mantener las propiedades de autolimpieza. El agua de mar o agua que tiene menos dureza, por ejemplo, aproximadamente 200 ppm de Ca y aproximadamente 700 ppm de Mg (agua del Golfo Arábigo) puede mantener propiedades de autolimpieza con una velocidad de flujo promedio más baja. Por ejemplo, dicha agua de mar puede mantener propiedades de autolimpieza a una velocidad de flujo promedio de aproximadamente 1,5 m/s o 1,8 m/s.
El agua de mar que tiene una temperatura superior a aproximadamente 20 °C o 25 °C (por ejemplo, agua del Golfo Arábigo que puede tener una temperatura de aproximadamente 40 °C) o que tiene una temperatura inferior a aproximadamente 20 °C o 25 °C (por ejemplo, (por ejemplo, el agua del Mar del Norte, que puede tener una temperatura de aproximadamente 0 °C) también puede mantener propiedades de autolimpieza con una velocidad de flujo promedio menor o mayor, respectivamente. Además, el agua salobre y la salmuera pueden mantener propiedades de autolimpieza con velocidades de flujo promedio más bajas.
La velocidad de flujo promedio se puede mantener según sea necesario para mantener las propiedades de autolimpieza de la celda electroquímica. Por ejemplo, la velocidad de flujo puede mantenerse a más de aproximadamente 1,5 m/s, entre aproximadamente 1,5 m/s y aproximadamente 2 m/s, mayor de aproximadamente 2 m/s, entre aproximadamente 2 m/s y aproximadamente 2,5 m/s., mayor de aproximadamente 2,5 m/s, entre aproximadamente 2,5 m/s y 3,0 m/s, o mayor de aproximadamente 3,5 m/s según sea necesario para mantener las propiedades de autolimpieza con la solución electrolítica particular. Para ciertas corrientes de alimentación, la velocidad del flujo se puede mantener en o cerca de 4 m/s, 5 m/s, 6 m/s, 7 m/s, 8 m/s, 9 m/s o 10 m/s. Cualquier velocidad promedio por debajo de la velocidad de autolimpieza puede resolverse dentro de una longitud predeterminada, como se describe con más detalle a continuación.
Los electrodos pueden insertarse en un alojamiento no metálico y conectarse a una fuente de alimentación de CC o CA mediante conectores impermeables para que ningún componente eléctricamente activo quede expuesto al ambiente exterior. Este diseño es generalmente más seguro para los operadores y no hay riesgo de cortocircuito entre los dispositivos y un componente o líquido externo conectado a tierra.
Los electrodos pueden colocarse dentro de un alojamiento no metálico, diseñado para aislar eléctricamente los electrodos del entorno exterior y para resistir la presión del fluido del electrolito que pasa a través de la celda electroquímica. El alojamiento puede ser no conductor, químicamente no reactivo a soluciones electrolíticas y tener suficiente resistencia para resistir presiones del sistema, vibraciones de alta frecuencia del sistema y vibraciones ambientales de baja frecuencia (por ejemplo, a bordo de un barco). El alojamiento puede tener suficiente resistencia para soportar una presión de hasta 16 bar. El alojamiento puede tener suficiente resistencia para soportar un caudal de solución electrolítica de hasta 10 m/s. El alojamiento puede comprender uno o más de poli(cloruro de vinilo) (PVC), politetrafluoroetileno (PTFE), fluoruro de polivinilideno (PVDF), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), polietileno de alta densidad (HDPE), polímero reforzado con fibra (FRP) u otros materiales apropiados, y en algunas realizaciones pueden incluir elementos de refuerzo, por ejemplo, fibras de vidrio o de carbono incrustadas en una matriz polimérica. Los conectores de electrodos pueden extenderse fuera de las paredes del alojamiento en un extremo del alojamiento. En algunas realizaciones, los conectores de electrodos pueden extenderse fuera de las paredes del alojamiento en extremos opuestos del alojamiento.
Como se muestra en las FIGS. 3A-3C, la celda electroquímica 1000 puede contener uno o más separadores 1180 configurados para mantener el espacio entre los electrodos 1020 y 1040. Los separadores 1180 pueden colocarse para residir entre los electrodos 1020 y 1040 (como se muestra en la FIG. 3C), por ejemplo, entre un cátodo y un ánodo. Para mantener el canal de fluido (mostrado en la FIG. 3C entre los electrodos 1020 y 1040), los separadores 1180 pueden dimensionarse para tener una altura que mantenga el ancho del espacio entre los electrodos 1020 y 1040, localizando los electrodos 1020 y 1040 y manteniendo concentricidad de los tubos (como se muestra en la FIG.
3B). Los separadores 1180 pueden dimensionarse para permitir el flujo de fluido a través del canal.
Las Figs. 7A-7B muestran otro ejemplo de separadores 1180. Como se muestra en la FIG. 7A, cada separador 1180 puede construirse y disponerse para unirse al extremo de un tubo 1020, 1040 de electrodo. Los separadores pueden colocarse dentro de los tubos 1020, 1040 de electrodo como se muestra en la FIG. 7B. El separador 1180 puede contener una o más características 1186 que se acoplan con un electrodo o conector eléctrico. Tal como se utiliza en la presente memoria, "acoplarse" se refiere a una conexión entre dos o más elementos. La conexión puede ser mecánica y/o eléctrica. La característica de acoplamiento se puede usar para mantener la alineación y evitar la rotación del separador con respecto al electrodo o conector eléctrico. Las características moldeadas 1186, como se muestra en las FIGS. 7C-7D pueden facilitar el montaje de la celda electroquímica al reducir la necesidad de otros elementos de fijación. En algunas realizaciones, el separador puede comprender una ranura, sujeción, o elemento de fijación integral configurado para acoplarse con un tubo de electrodo y mantener la concentricidad de los tubos de electrodo concéntricos.
El separador puede construirse a partir de un material no conductor, químicamente inerte, capaz de resistir alta presión. En algunas realizaciones, el separador puede construirse para soportar hasta 16 bares de presión, vibraciones de alta frecuencia del sistema y vibraciones ambientales de baja frecuencia (por ejemplo, a bordo de un barco). El separador puede construirse para resistir un caudal de solución electrolítica de hasta 10 m/s. El separador puede estar construido de plástico o de material cerámico. El separador puede comprender uno o más de PVC, PTFE, PVDF, ABS, HDPE, FRP u otros materiales apropiados. En algunas realizaciones, el separador puede moldearse por inyección para facilitar la fabricación y el montaje.
Las características de flujo tales como los separadores tienden a crear resistencia al arrastre sobre la solución electrolítica que fluye, dando como resultado un área de velocidad reducida (también descrita en la presente memoria como una "zona de velocidad reducida") aguas abajo del separador. Como se describió anteriormente, una disminución en la velocidad promedio del flujo puede comprometer la naturaleza de autolimpieza de una celda electroquímica. Por lo tanto, cualquier velocidad promedio por debajo de la velocidad de autolimpieza debe resolverse dentro de una longitud predeterminada a lo largo del canal de fluido desde el separador. Una celda electroquímica autolimpiante sin separador puede resolver una zona de velocidad reducida, por ejemplo, dentro de 20 mm desde la entrada de la celda electroquímica. En algunas realizaciones ejemplares, las propiedades de autolimpieza se cumplen cuando la zona de velocidad reducida se resuelve dentro de los 140 mm desde el separador, como se muestra en la FIG. 4. Según algunas realizaciones, el separador puede dimensionarse para resolver la zona de velocidad reducida dentro de 20 mm (FIG. 4) o dentro de 60 mm (FIG. 5).
La zona de velocidad reducida puede definirse por un área en donde la velocidad de flujo de la solución electrolítica es menor que la velocidad de flujo promedio de la solución a través del canal o la velocidad de autolimpieza. La zona de velocidad reducida resultante del separador generalmente está ubicada aguas abajo del separador, pero pueden existir otras zonas de velocidad reducida dentro de la celda electroquímica. En algunas realizaciones, la zona de velocidad reducida se define por un área en donde una velocidad de flujo de solución electrolítica promedio es al menos 2%, 5%, 10%, 15%, 20% o 25% menor que la velocidad de autolimpieza. o la velocidad promedio a través del canal de fluido. Para una celda electroquímica ejemplar que tiene una velocidad de flujo promedio o autolimpiante de al menos 2 m/s, la zona de velocidad reducida puede definirse por cualquier velocidad de flujo inferior a 2 m/s, por una velocidad de flujo al menos un 25% menor de 2 m/s (por ejemplo, 1,5 m/s), por una velocidad de flujo al menos un 20% inferior a 2 m/s (por ejemplo, 1,6 m/s), por una velocidad de flujo al menos un 15% inferior a 2 m/s (por ejemplo, 1,7 m/s), por una velocidad de flujo al menos un 10% inferior a 2 m/s (por ejemplo, 1,8 m/s), por una velocidad de flujo al menos un 5% inferior a 2 m/s (por ejemplo, 1,9 m/s), por una velocidad de flujo al menos un 2% inferior a 2 m/s (por ejemplo, 1,96 m/s), o por una velocidad de flujo al menos de cualquier otro porcentaje inferior a 2 m/s.
Para cualquier velocidad de flujo promedio dentro de la zona de velocidad reducida, la zona puede terminar cuando la velocidad del fluido se resuelve en una velocidad aparente promedio igual a la velocidad del fluido autolimpiante o igual a la velocidad promedio del fluido dentro de la celda electroquímica. Por ejemplo, la zona de velocidad reducida puede tener un perfil de velocidad dado que se resuelve cuando la velocidad promedio del fluido alcanza 2 m/s (o cualquier otra velocidad de autolimpieza deseada). En algunas realizaciones, la zona de velocidad reducida termina cuando la velocidad promedio del fluido alcanza una velocidad dentro del 1%, 2%, 5% o 10% de la velocidad de autolimpieza o de la velocidad promedio dentro de la celda electroquímica. Por lo tanto, para una celda electroquímica ejemplar que tiene una velocidad de autolimpieza de 2 m/s, la zona de velocidad reducida puede terminar cuando la velocidad promedio del fluido se resuelve en 2 m/s, 1,98 m/s (dentro del 1%), 1,96 m/s (dentro del 2%), 1,9 m/s (dentro del 5%) o 1,8 m/s (dentro del 10%). En algunas realizaciones, la zona de velocidad reducida termina cuando la velocidad promedio del fluido se resuelve en la velocidad del fluido de entrada, por ejemplo, la velocidad del fluido aguas arriba del separador. La zona de velocidad reducida puede terminar cuando la velocidad promedio del fluido se resuelve a una velocidad del fluido dentro del 1 %, 2%, 5% o 10% de la velocidad del fluido de entrada.
La zona de velocidad reducida también puede caracterizarse por una desviación de velocidad de la velocidad de flujo media de la solución electrolítica en masa a través de la celda electroquímica. La dispersión de velocidad dentro de la zona de velocidad reducida es generalmente mayor en el límite de la zona de velocidad reducida y del separador (es decir, inmediatamente aguas abajo del separador). La dispersión de la velocidad tiende a normalizarse aguas abajo, hasta que está dentro de un porcentaje de la velocidad media del flujo de la celda electroquímica. En una realización ejemplar, la dispersión de la velocidad sigue la curva del gráfico de la FIG. 22. En algunas realizaciones, la desviación de velocidad dentro de la zona de velocidad reducida no excede ± 20%, por ejemplo, no excede de ± 18%, no excede de ± 15%, de la velocidad media del flujo. La zona de velocidad reducida puede terminar cuando la dispersión de la velocidad está dentro del ± 5%, dentro del ± 2%, dentro del ± 1 % de la velocidad media del flujo. Dado que la velocidad media del flujo es, por definición, una velocidad promedio, es concebible que la dispersión de la velocidad pueda permanecer dentro de un pequeño porcentaje de la velocidad de autolimpieza a lo largo de la longitud de la celda electroquímica.
El separador puede diseñarse para minimizar la zona de velocidad reducida que se produce naturalmente en el canal de fluido aguas abajo del separador. La zona de velocidad reducida se minimiza para mantener las propiedades de autolimpieza de la celda electroquímica. El separador puede dimensionarse para mantener la zona de velocidad reducida dentro de una longitud predeterminada. Generalmente, la longitud predeterminada de la zona de velocidad reducida se puede seleccionar para minimizar o eliminar la incrustación en función de la velocidad de flujo promedio a través del canal de fluido y/o de la composición de la solución electrolítica. La longitud predeterminada puede ser, por ejemplo, de entre aproximadamente el 2% y el 5%, por ejemplo, menos de aproximadamente el 5% de la longitud del canal de fluido. En algunas realizaciones, la longitud predeterminada es aproximadamente el 5%, 4%, 3%, 2% o menos del 1% del canal de fluido. Ciertas soluciones electrolíticas pueden tolerar una longitud predeterminada mayor que otras. La composición, la dureza y la temperatura de la solución electrolítica pueden desempeñar un papel en la determinación de la tolerancia de la celda electroquímica a las incrustaciones.
En algunas realizaciones, la longitud predeterminada se describe en relación con el ancho del canal de flujo. Por ejemplo, la relación entre la longitud de la zona de velocidad reducida y el ancho del canal de fluido puede ser menor de 120 a 3,5. Esta relación corresponde a una zona de velocidad reducida que tiene una longitud inferior a 120 mm para un ancho de canal de 3,5 mm, una longitud inferior a 102,8 mm para un ancho de canal de 3,0 mm, una longitud inferior a 85,7 mm para un ancho de canal de 2,5 mm, y así sucesivamente. La relación entre la longitud de la zona de velocidad reducida y el ancho del canal de fluido puede ser menor de 100 a 3,5, 60 a 3,5 o 20 a 3,5. En algunas realizaciones, la longitud predeterminada puede estar dentro de 140 mm, 120 mm, 100 mm, 60 mm o 20 mm para una solución electrolítica que fluye a través del canal de fluido a una velocidad de flujo promedio de entre 2,0 m/s y 2,5 m/s., por ejemplo, 2,0 m/s, 2,1 m/s, 2,2 m/s, 2,3 m/s, 2,4 m/s o 2,5 m/s.
En algunas realizaciones, el separador está diseñado para minimizar la zona de velocidad reducida permitiendo solo un área de flujo predeterminada a través del canal. El separador puede dimensionarse para que tenga un área en sección transversal que cubra un porcentaje predeterminado de un área de flujo del canal de fluido. Por ejemplo, el separador puede dimensionarse para que tenga un área en sección transversal entre el 10 % y el 35 % del área de flujo del canal de fluido. El separador puede dimensionarse para que tenga un área en sección transversal menor que aproximadamente 10%, 15%, 20%, 25%, 30% o 35% del área de flujo del canal de fluido. En general, el separador puede diseñarse para que tenga un área en sección transversal lo más pequeña posible (es decir, que permita el mayor flujo de solución) mientras soporta el canal de fluido. El área en sección transversal del separador puede diseñarse para proporcionar un soporte adecuado a los tubos de los electrodos para mantener la concentricidad, al tiempo que se reduce la zona de velocidad reducida que se produce aguas abajo del separador para mantener las propiedades de autolimpieza de la celda electroquímica.
El separador puede diseñarse para mantener una desviación de la velocidad de la solución electrolítica con respecto a la media para que esté dentro de ± 20 %, por ejemplo, ± 18 %, o ± 15 %, de una velocidad de flujo promedio de la solución electrolítica a través del canal de fluido. El separador puede dimensionarse para minimizar la desviación de velocidad de la media aguas abajo del separador. Por ejemplo, el separador puede minimizar la desviación de velocidad de la media inmediatamente junto al separador. En algunas realizaciones, el separador puede ser “hidrodinámico” para minimizar la desviación de la velocidad con respecto a la media. Como se describe en la presente memoria, "hidrodinámico" puede referirse a un componente que tiene una configuración aerodinámica contra un flujo de solución. Hidrodinámico puede comprender configuraciones que formen desviaciones mínimas de la velocidad aguas abajo con respecto a la media. En algunas realizaciones, las configuraciones hidrodinámicas no forman o sustancialmente no forman remolinos aguas abajo. Las configuraciones hidrodinámicas no necesitan limitarse a proporcionar flujo laminar y pueden estar rodeadas por flujo turbulento. En algunas realizaciones, las configuraciones hidrodinámicas no contribuyen sustancialmente a la turbulencia en el flujo electrolítica a través de la celda electroquímica.
Según ciertas realizaciones, como se muestra en la FIG. 6A, el separador puede comprender un anillo 1182 y una pluralidad de salientes 1184 que se extienden desde el anillo 1182. El separador puede permitir el flujo de fluido entre los salientes 1182 (por ejemplo, como se muestra en la FIG. 3C). La característica 1186 prevista para la alineación del separador puede colocarse en el anillo 1182, por ejemplo, entre salientes adyacentes. Los salientes 1184 pueden preverse para mantener el espacio entre los tubos de los electrodos, al tiempo que permiten el flujo de fluido a través del canal. Por tanto, los salientes pueden dimensionarse para que tengan una altura que mantenga el ancho del canal de fluido. Como se muestra en las FIGS. 6B-6D, H es la altura del saliente esencialmente equivalente al ancho del canal de fluido, W es un ancho del saliente y L es una longitud del saliente hacia abajo del canal de fluido. Los salientes 1184 pueden estar unidos al anillo 1182 en un extremo y extenderse radialmente hacia afuera desde el anillo o radialmente hacia adentro desde el anillo. En realizaciones en donde los salientes se extienden radialmente hacia afuera y radialmente hacia adentro desde el anillo, como se muestra en la FIG. 6A, la altura puede ser esencialmente equivalente a la mitad del ancho del canal de fluido.
Normalmente, los salientes pueden tener una longitud L (definida en una dirección hacia abajo del canal de flujo), como se muestra en las FIGS. 6C y 6D, que es mayor que el ancho W. Además, los salientes pueden tener una configuración aerodinámica o hidrodinámica para reducir la resistencia sobre el electrolito que fluye. En algunas realizaciones, los salientes pueden ser esféricos, cilíndricos, ovoides, en forma de lágrima, en forma de almendra, en forma de diamante (alargada o simétrica) o un triángulo redondeado. Los salientes pueden tener una forma en sección transversal circular, ovalada, triangular, de diamante o de lágrima.
El separador puede tener generalmente suficientes salientes para proporcionar soporte para los tubos de los electrodos. En algunas realizaciones, el separador puede tener entre 2 y 8 salientes, por ejemplo, entre 3 y 6 salientes. Los separadores pueden tener, por ejemplo, 3, 4, 5 o 6 salientes. Las dimensiones del anillo y los salientes pueden diseñarse para reducir la zona de velocidad reducida. Por ejemplo, el número y la disposición de los salientes pueden seleccionarse para minimizar la zona de velocidad reducida o de otro modo mantener la zona de velocidad reducida dentro de la longitud predeterminada. Por consiguiente, el separador puede tener un número y ancho de salientes que den como resultado un área en sección transversal del separador entre el 10% y el 35% del área de flujo del canal de fluido. En algunas realizaciones, los salientes pueden estar sustancialmente espaciados uniformemente en el anillo para proporcionar un soporte uniforme (por ejemplo, como se muestra en la FIG. 6A). De manera similar, la longitud y el ancho de los salientes pueden seleccionarse para minimizar la zona de velocidad reducida o de otro modo mantener la zona de velocidad reducida dentro de la longitud predeterminada. Los salientes pueden dimensionarse para que tengan un ancho que proporcione suficiente soporte estructural para los electrodos (por ejemplo, basándose en el número de salientes) sin exceder sustancialmente un ancho que proporcionaría demasiada resistencia aerodinámica. Para ciertos materiales, los salientes pueden tener un ancho mínima posible de fabricar que también proporcione un soporte adecuado. En algunas realizaciones, los salientes pueden dimensionarse para tener un ancho que esté entre 0,5 y 2 veces la altura, por ejemplo, entre 0,5 y 1 veces la altura o entre 1 y 2 veces la altura.
Una celda de electro-cloración típica puede tener un ancho de canal de entre 1 y 5 mm. Una celda electroquímica de este tipo puede contener un separador que tiene un ancho de anillo de entre 0,5 y 3 mm, salientes que tienen una altura de entre 1 y 5 mm (en correlación con el ancho del canal), salientes que tienen un ancho de entre 1 y 10 mm, y salientes que tienen una longitud de entre 1 y 10 mm. Una celda electroquímica ejemplar puede tener un ancho de canal de 3,0 a 3,5 mm. Una celda electroquímica de este tipo puede incluir un anillo que tiene un ancho de 1 mm y salientes que tienen un ancho de 2,5 a 7 mm y una longitud de 5 a 10 mm, donde la longitud no es más corta que el ancho. El anillo puede estar ubicado sustancialmente en el centro del canal de fluido, con salientes que se extienden en ambas direcciones desde el anillo. La altura de los salientes en este anillo ejemplar se puede medir de un extremo a otro. En algunas realizaciones, el anillo puede colocarse contra uno de los electrodos, con salientes que se extienden sustancialmente en una dirección hacia el electrodo opuesto.
Como se describió anteriormente, la celda electroquímica puede incluir una pluralidad de electrodos de tubos concéntricos, por ejemplo, tres, cuatro o cinco electrodos de tubos concéntricos. Con cada electrodo de tubo concéntrico añadido, se proporcionan una superficie de electrodo de cátodo adicional, una superficie de electrodo de ánodo adicional y un canal de fluido adicional. Cada canal de fluido puede definirse entre cada cátodo y ánodo adyacentes, y cada canal de fluido puede extenderse sustancialmente paralelo a los otros canales de fluido y a un eje central del alojamiento. Cada canal de fluido puede estar asociado adicionalmente con un separador que reside entre los electrodos para mantener el canal de fluido. Por tanto, la celda electroquímica puede comprender una pluralidad de separadores concéntricos que residen entre electrodos concéntricos.
En algunas realizaciones, por ejemplo, como se muestra en la FIG. 16, la celda electroquímica 1000 puede comprender una pluralidad de electrodos consecutivos 1020, 1022. Los electrodos consecutivos 1020, 1022 pueden estar dispuestos a lo largo del alojamiento (no mostrado en la FIG. 16). Como se muestra en las FIGS. 17A-17C, la celda electroquímica 1000 puede incluir uno o más separadores 1200 colocados entre electrodos consecutivos 1020, 1022. Los separadores 1200 pueden colocarse, disponerse y configurarse para acoplarse con los electrodos consecutivos 1020, 1022 (por ejemplo, a través de una característica tal como una ranura, sujeción o conexión eléctrica), ubicando los electrodos dentro de la celda electroquímica 1000. Además, cuando están presentes electrodos concéntricos 1020, 1040 y consecutivos 1020, 1022, se puede colocar una pluralidad de separadores concéntricos 1200 entre los electrodos consecutivos 1020, 1022 y configurados para mantener la concentricidad de los electrodos consecutivos, por ejemplo, como se muestra en las FIGS. 18A y 18B.
Los separadores colocados entre electrodos consecutivos pueden comprender una pluralidad de anillos contiguos 1220. Varias realizaciones de anillos contiguos 1220 se muestran en las FIGS. 19-21. Por ejemplo, el separador puede comprender dos, tres o cuatro anillos contiguos. En algunas realizaciones, al menos uno de los anillos contiguos comprende una pluralidad de salientes, como se describió anteriormente. Los anillos contiguos pueden configurarse para acoplarse entre sí y/o con un electrodo consecutivo adyacente. Cualquier espacio que se produzca entre los anillos contiguos se puede minimizar para reducir una zona de velocidad reducida existente aguas abajo del separador. Por ejemplo, el espacio entre anillos contiguos puede dimensionarse para mantener la zona de velocidad reducida dentro de una longitud predeterminada, como se describió anteriormente. En algunas realizaciones, se pueden implementar cierres herméticos entre anillos contiguos para reducir el espacio efectivo y, por tanto, la zona de velocidad reducida.
El espacio entre anillos contiguos puede ser inferior a 1,60 veces el ancho del separador, por ejemplo, de un anillo del separador. Por ejemplo, el separador puede comprender un anillo que tenga un ancho de entre 1 y 3 mm. Los espacios entre anillos contiguos pueden ser inferiores a 4,80 mm, inferiores a 3,20 mm o inferiores a 1,60 mm. El ancho del espacio puede estar entre 0,5 y 4,80 mm, entre 0,5 y 3,20 mm, o entre 0,5 y 1,60 mm. En una realización ejemplar, el separador puede comprender una pluralidad de anillos contiguos que tienen un ancho de 1 mm, en donde los espacios entre cada dos de la pluralidad de anillos tienen un ancho de entre 0,5 y 1,60 mm. En general, el ancho del espacio entre anillos contiguos puede dimensionarse para que sea lo más pequeña posible físicamente. Si es posible para la fabricación, los anillos contiguos pueden no tener sustancialmente ningún espacio entre ellos.
Según ciertas realizaciones, por ejemplo, como se muestra en las FIGS. 8A y 8B, la celda electroquímica 1000 puede incluir tapas 1060 y 1080 de extremo de entrada y salida, cada una acoplada a un extremo distal del alojamiento 1160. Las tapas 1060 y 1080 de extremo pueden tener una abertura 1062 ubicada sustancialmente en el centro (como se muestra en las FIGS. 9A y 9B, que son vistas superior e inferior de una tapa de extremo, respectivamente). Como se muestra en la vista en sección transversal de la FIG. 8B, las aberturas pueden estar en comunicación fluida con canales de fluido entre ánodos y cátodos en el interior de la celda electroquímica. Las tapas de extremo pueden incluir además conductos 1064 de fluido (como se muestra en la vista en sección transversal de la FIG. 9D) que proporcionan comunicación fluida entre las aberturas y el canal de fluido de la celda electroquímica. De este modo, se puede introducir fluido, por ejemplo, solución electrolítica, en la celda electroquímica a través de uno o más conductos de fluido de la tapa de extremo de entrada y continuar a través del espacio entre los electrodos, es decir, el canal de fluido. El fluido puede salir de la celda electroquímica a través de un conducto de fluido de la tapa de extremo de salida y salir por la abertura ubicada sustancialmente en el centro.
El conducto de fluido dentro de la tapa de extremo puede diseñarse para minimizar una caída de presión a través de la celda electroquímica. En un tubo cilíndrico, la pérdida de presión debida a efectos viscosos es proporcional a la longitud y se caracteriza por la ecuación de Darcy-Weisbach:
dónde:
Ap es la pérdida de presión (Pa),
L es la longitud del conducto (m),
D es el diámetro hidráulico (m),
fDes el factor de fricción (determinado por el número de Reynolds, la rugosidad absoluta y la rugosidad relativa del material y el coeficiente de fricción),
pes la densidad del fluido (kg/m3), y
{v)es la velocidad media del flujo (m/s).
Por tanto, la caída de presión puede variar con la longitud, el diámetro hidráulico y el material del conducto. En algunas realizaciones, se puede dimensionar un radio y/o longitud del conducto de fluido para minimizar la caída de presión dentro de la celda electroquímica. Además, la densidad del fluido y la velocidad del flujo también pueden tener un efecto en la caída de presión.
La caída de presión puede determinarse por la diferencia entre la presión de entrada y la presión de salida a través de una celda electroquímica. En algunas realizaciones, minimizar la caída de presión incluye minimizar la presión de entrada. Por tanto, en algunas realizaciones, se puede dimensionar un radio y/o longitud del conducto de fluido de una tapa de extremo de entrada para mantener una presión de entrada deseada. La presión de entrada se puede mantener por debajo de, por ejemplo, 125 kPa, 122 kPa, 120 kPa, 118 kPa, 117 kPa, 116 kPa o 115 kPa. Sin embargo, la presión de entrada debe mantenerse dentro de un intervalo que promueva el uso adecuado de la celda electroquímica. La presión de entrada puede mantenerse entre aproximadamente 115 kPa y 125 kPa, por ejemplo, entre aproximadamente 117 kPa y 121 kPa. La presión de salida puede mantenerse entre aproximadamente 100 kPa y 105 kPa, por ejemplo, entre aproximadamente 101 kPa y 103 kPa. Una caída de presión minimizada puede ser tan cercana a prácticamente ninguna caída de presión como lo permitan las restricciones de fabricación y de material, por ejemplo, por debajo de 25 kPa, 24 kPa, 23 kPa, 22 kPa, 21 kPa, 20 kPa, por debajo de 19 kPa, por debajo de 18 kPa, por debajo de 17 kPa, por debajo de 16 kPa, por debajo de 15 kPa o menor. La caída de presión minimizada puede depender de la densidad del fluido de la solución electrolítica y de la velocidad de flujo promedio (por ejemplo, la velocidad del flujo de autolimpieza para dicho fluido).
En algunas realizaciones, el conducto de fluido incluye una zona de un primer radio y una zona de un segundo radio mayor que el primer radio. La zona del primer radio puede ser adyacente a la abertura ubicada sustancialmente en el centro, mientras que la zona del segundo radio puede ser adyacente al canal de fluido. En una realización ejemplar, el conducto de fluido de la tapa de extremo de entrada tiene una primera región lineal, una región que aumenta radialmente y una segunda región lineal, donde la primera región lineal puede corresponder al primer radio y la segunda región lineal puede corresponder al segundo radio. La tapa de extremo puede comprender una característica para acoplarse con el extremo del alojamiento.
Las tapas de extremos pueden construirse a partir de un material no conductor, químicamente inerte, capaz de resistir alta presión. En algunas realizaciones, las tapas de extremos pueden construirse para soportar hasta 16 bares de presión, vibraciones del sistema de alta frecuencia y vibraciones ambientales de baja frecuencia (por ejemplo, a bordo de un barco). Las tapas de extremos pueden construirse para soportar un caudal de solución electrolítica de hasta 10 m/s. Las tapas de extremos pueden estar construidas de plástico o material cerámico. Las tapas de extremos pueden comprender uno o más de PVC, PTFE, PVDF, ABS, HDPE, FRP u otros materiales apropiados.
Como se muestra en las FIGS. 10A y 10B, la celda electroquímica puede comprender además un cono 1120 dispuesto dentro del conducto de fluido de la tapa 1060 de extremo y configurado para definir una trayectoria de flujo para una solución hacia el canal de fluido. El cono 1120 puede acoplarse al alojamiento 1160 para definir una trayectoria de flujo hacia el canal de fluido. En algunas realizaciones, el cono puede acoplarse al electrodo 1020 (como se muestra en la FIG. 11A), al conector eléctrico 1240 (como se muestra en la FIG. 11B), o a otro elemento de la celda electroquímica, para definir una trayectoria de flujo de fluido hacia el interior del canal de fluido. Por tanto, el cono puede tener un diámetro de base igual o sustancialmente igual a un diámetro interior del canal de fluido.
Como se describió anteriormente, la caída de presión a través de una celda electroquímica puede variar con el diámetro hidráulico. El cono 1120 de entrada, el cono 1140 de salida o ambos (como se muestra en la FIG. 8B) pueden diseñarse para minimizar la caída de presión a través de la celda electroquímica, por ejemplo, alterando un diámetro hidráulico de la trayectoria del flujo. La FIG. 12 es un mapa de contorno de caída de presión a través de una celda electroquímica ejemplar. Como se muestra en la FIG. 12, hay un diferencial de presión a través del canal de fluido. Variar las dimensiones del canal de fluido de la tapa de extremo de entrada puede tener un efecto sobre la presión de entrada, como se muestra en las FIGS. 13A-C. Además, variar las dimensiones del cono de entrada puede tener un efecto en la caída de presión, como se muestra en la FIG. 14A y los datos presentados en el gráfico de la FIG. 14B.
Minimizar la caída de presión puede incluir, por ejemplo, mantener un área de flujo sustancialmente constante entre el conducto de fluido y el cono. Generalmente, el cono puede tener una base dimensionada para corresponder con el canal de fluido. Para un canal de fluido anular, la base puede tener un diámetro que corresponde sustancialmente con un diámetro interior del canal de fluido anular. Además de diseñar las dimensiones del conducto de fluido para reducir la caída de presión, se pueden dimensionar uno o más de la altura, del ángulo del vértice, del ángulo de la base y de la altura inclinada del cono para minimizar la caída de presión a través de la celda electroquímica. El cono de entrada, el cono de salida o ambos pueden tener independientemente un ángulo de vértice de entre 20° y 90°, por ejemplo, entre 30° y 80° o entre 40° y 60°. El cono de entrada, el cono de salida o ambos pueden tener independientemente un ángulo de vértice de 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°, 90° o según sea necesario para minimizar la caída de presión a través de la celda electroquímica.
En algunas realizaciones, por ejemplo, como se muestra en las FIGS. 15A y 15B, la celda electroquímica incluye un tronco 1122 de salida en lugar de un cono de salida. El tronco 1122 de salida puede estar dispuesto dentro del conducto 1064 de fluido de la tapa 1080 de extremo de salida y configurado para definir una trayectoria de flujo para una solución fuera de la celda electroquímica. El tronco de 1122 salida puede dimensionarse para minimizar aún más la caída de presión a través de la celda electroquímica, como se muestra en los mapas de contorno. Al modificar el cono de salida para producir un tronco de salida, se aumenta el área de flujo total de la tapa de extremo de salida, lo que da como resultado una caída de presión aún más reducida.
El conducto de fluido de la tapa de extremo puede dimensionarse para permitir un flujo completamente desarrollado de la solución. Además, la trayectoria de flujo definida entre el conducto de fluido y el cono se puede dimensionar para mantener el flujo completamente desarrollado de la solución. Como se usa en la presente memoria, el flujo completamente desarrollado ocurre cuando la capa límite del flujo a través del conducto de fluido se expande para llenar todo el conducto, de modo que las características del flujo permanecen sustancialmente iguales en toda la longitud restante del conducto. La longitud de entrada es la longitud del conducto necesaria para que el flujo de fluido se desarrolle completamente. La longitud de la trayectoria del flujo puede ser mayor que la longitud de entrada de la solución particular, de modo que el flujo que se desplaza entre el conducto y el cono se desarrolle y/o permanezca completamente desarrollado.
La trayectoria del flujo puede tener un diámetro hidráulico definido por el espacio entre el cono y el conducto de fluido. En algunas realizaciones, la trayectoria del flujo puede tener un diámetro hidráulico que está entre 2 y 10 veces la longitud de la región lineal mayor del conducto de fluido (es decir, la zona del segundo radio) para mantener el flujo completamente desarrollado. La trayectoria del flujo puede tener un diámetro hidráulico que sea al menos 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10 veces la longitud de la zona del segundo radio, o según sea necesario para mantener el flujo completamente desarrollado. de la solución electrolítica particular. En general, la longitud de la zona del segundo radio puede ser lo más grande posible, manteniendo al mismo tiempo una presión de entrada y una caída de presión adecuadas a través de la celda electroquímica.
Las tapas de extremos podrían tener un doble propósito, ya que también podrían incorporar conectores eléctricos para el suministro de corriente a los electrodos y proporcionar un cierre hermético neumático para la celda electroquímica. Por ejemplo, las tapas de extremos, cuando se fijan a extremos opuestos de la celda electroquímica, pueden formar cámaras selladas neumáticamente. Las tapas pueden proporcionar una configuración para el encaminamiento neumático y eléctrico de los conductos de gas.
Como se muestra en las FIGS. 23A-23D, la celda electroquímica 1000 puede incluir conectores eléctricos 1240 colocados en los extremos distales de los electrodos y conectados eléctricamente a los electrodos. La corriente eléctrica se puede aplicar a la celda electroquímica a través de un conector eléctrico, circular internamente a través de los electrodos y fluidos de proceso, y salir de la celda electroquímica a través de una conexión a tierra correspondiente. La corriente máxima aplicada a una celda electroquímica puede definirse por su densidad de corriente operativa, generalmente inferior a aproximadamente 3000 A/m2. La densidad de corriente operativa puede variar según el recubrimiento del electrodo y el área de la superficie interna del electrodo. Durante el diseño de la celda electroquímica, la resistencia puede variar con el área de superficie del conector eléctrico, la corriente aplicada, la resistividad del material de la celda y la tasa de capacidad calorífica de la celda.
Los conectores eléctricos pueden estar hechos de cualquier material conductor, resistente a la corrosión. En algunas realizaciones, los conectores eléctricos pueden estar hechos del mismo material que uno o más de los electrodos, por ejemplo, de titanio. El conector eléctrico puede fijarse a los electrodos, por ejemplo, mediante un elemento de acoplamiento o soldadura. El conector eléctrico puede fabricarse a partir de una lámina conductora continua o puede contener características que están soldadas o unidas de otro modo de manera conductora. Convencionalmente, los conectores eléctricos son fáciles de fabricar, pero no están diseñados para ser hidrodinámicos. Por lo tanto, los conectores eléctricos convencionales generalmente crean una gran región de baja velocidad de flujo aguas abajo.
Se puede prever un primer conector eléctrico en un primer extremo de una celda electroquímica de múltiples tubos como se describe en la presente memoria para proporcionar contacto eléctrico al tubo o tubos de electrodo de ánodo y se puede prever un segundo conector eléctrico en un segundo extremo de una celda electroquímica de múltiples tubos. celda electroquímica como se describe en la presente memoria para proporcionar contacto eléctrico con el o los tubos del electrodo catódico. Se pueden prever aberturas en los conectores eléctricos para permitir que el fluido fluya a través de los espacios entre los tubos de electrodos concéntricos. Los radios de los conectores eléctricos pueden tener elementos de posicionamiento, por ejemplo, ranuras, lengüetas, pasadores y/o protuberancias a intervalos, por ejemplo, para aplicarse a los tubos de electrodos y/o espaciadores. Un reborde exterior del conector eléctrico se puede conectar a una fuente de alimentación utilizando un único conector o múltiples conectores.
La conexión entre un conector eléctrico y un cable eléctrico procedente de una fuente de alimentación se puede sellar y aislar del medio ambiente, por ejemplo, con juntas, tornillos y/o pernos, para seguridad y prevención de corrosión. Se pueden usar conectores estancos al agua (por ejemplo, conectores IP54) para conectar el conector eléctrico a la fuente de alimentación. Ciertas realizaciones también pueden proporcionar un grado de protección (IP) elevado, que protege a los operadores contra riesgos de descargas eléctricas y prescinde de la necesidad de una costosa envolvente resistente a la intemperie. En una realización ejemplar, se pueden usar componentes de tubería de plástico de alta densidad utilizando, por ejemplo, material ABS, U-PVC, C-PVC y/o PVDF para sellar y aislar el conector eléctrico debido a su resistencia química, por ejemplo, a hipoclorito de sodio y una elevada presión alcanzable en el intervalo de aproximadamente 5 a aproximadamente 15 bar. Se pueden usar conectores de cable con grado de protección IP elevado, disponibles comercialmente para transferir corriente hacia y desde los electrodos.
Los conectores eléctricos pueden diseñarse para minimizar la resistencia eléctrica y la generación de calor. Generalmente, la resistencia eléctrica es función de la geometría del dispositivo y de la resistividad del material. La generación de calor aumenta al aumentar la resistencia según la ley de Joule-Lenz, que establece que la potencia del calor generado por un conductor eléctrico es proporcional al producto de su resistencia y al cuadrado de la intensidad. Cuando se opera en serie, el calor generado dentro de cada celda electroquímica es acumulativo a lo largo de la serie y debe minimizarse. Sin embargo, la corriente aplicada debe mantenerse dentro de un intervalo apropiado para generar el producto deseado. Por lo tanto, en algunas realizaciones, los conectores eléctricos pueden dimensionarse para minimizar la resistencia (y por lo tanto, la generación de calor) para un material determinado mientras proporcionan la intensidad adecuada.
En una realización ejemplar, el conector eléctrico puede ser a base de titanio. Los conectores eléctricos pueden funcionar para transmitir entre 25 W y 1,5 kW de potencia a los electrodos, por ejemplo, entre 25 W y 100 W, entre 100 W y 1 kW, o entre 1 kW y 1,5 kW. Los conectores eléctricos pueden dimensionarse para generar menos de aproximadamente 100 W de calor, por ejemplo, menos de aproximadamente 75 W de calor, menos de aproximadamente 50 W de calor o menos de aproximadamente 25 W de calor. En algunas realizaciones, los conectores eléctricos pueden dimensionarse para generar menos de aproximadamente 25 W de calor al transmitir al menos 100 W de potencia a al menos uno de la pluralidad de electrodos. En tal realización, el conector eléctrico puede dimensionarse para generar menos de 1 °C, por ejemplo, menos de aproximadamente 0,5 °C o menos de aproximadamente 0,1 °C cuando se transmiten al menos 100 W de potencia. La FIG. 25C es un mapa de contorno del calor generado en el conector eléctrico. Como se muestra en la realización ejemplar de la FIG. 25C, la temperatura del fluido aumenta desde aproximadamente 20,05 °C en la entrada hasta 20,10 °C después del conector eléctrico y alrededor de 20,07 °C en la salida de la celda electroquímica. En otras realizaciones, los conectores eléctricos pueden dimensionarse para generar menos de aproximadamente 25 W de calor cuando se transmite al menos 1 kW de potencia, dimensionarse para generar menos de aproximadamente 100 W de calor cuando se transmite al menos 1 kW de potencia, o dimensionarse para generar menos de aproximadamente 100 W de calor cuando se transmite al menos 1,5 kW de potencia. La potencia transmitida puede depender de los requisitos operativos.
El conector eléctrico puede diseñarse para minimizar una zona de velocidad reducida que se produce aguas abajo del conector eléctrico. La FIG. 25D es un mapa de contorno de velocidad aguas abajo de un conector eléctrico ejemplar. Como se mencionó anteriormente con respecto a los separadores, la zona de velocidad reducida se minimiza para mantener las propiedades de autolimpieza de la celda electroquímica. La conexión electroquímica puede dimensionarse para mantener la zona de velocidad reducida dentro de la longitud predeterminada, como se describió anteriormente.
Los conectores eléctricos pueden diseñarse adicionalmente para proporcionar una distribución de corriente sustancialmente uniforme alrededor de los electrodos concéntricos. En la FIG. 25B se muestra la distribución de corriente alrededor de un electrodo interior 1020 y de un electrodo exterior 1040. Los conectores eléctricos pueden tener una geometría simétrica o sustancialmente simétrica para proporcionar una distribución de corriente sustancialmente uniforme.
Como se muestra en las FIGS. 24A-24C, el conector eléctrico 1240 puede incluir una rueda 1242 y radios 1244. Cada rueda 1242 puede configurarse para proporcionar conexión eléctrica a un tubo de electrodo correspondiente. Por tanto, para realizaciones con múltiples tubos de electrodos concéntricos, el conector eléctrico puede incluir ruedas concéntricas correspondientes. Los radios pueden configurarse para proporcionar conexión eléctrica entre ruedas concéntricas. En algunas realizaciones, los radios pueden ser rectilíneos para facilitar la fabricación y reducir la resistencia, pero pueden tener cualquier geometría deseada. La resistencia eléctrica de un radio se puede definir mediante la siguiente ecuación:
R = p H / ( W X L )
dónde:
R es resistencia,
p es la resistividad del material,
H es la altura de los radios, determinada por el espacio entre ruedas concéntricas,
W es el ancho de los radios alrededor de la circunferencia de la rueda, y
L es la longitud de los radios a lo largo del canal de fluido.
El número y las dimensiones de los radios se pueden seleccionar para minimizar la resistencia, la generación de calor y la zona de velocidad reducida creada por el conector eléctrico. La resistencia de un radio individual debería dar como resultado una pérdida óhmica de menos de aproximadamente 50 W, por ejemplo, menos de aproximadamente 25 W 0 menos de aproximadamente 10 W. La pérdida óhmica máxima tolerada de un radio y un conector eléctrico se puede seleccionar basándose en la reacción electroquímica deseada junto con la tasa de capacidad calorífica de la solución electrolítica particular que fluye a través de la celda electroquímica.
En general, la altura del radio, identificada por H en la FIG. 24B, puede determinarse por el espacio entre ruedas concéntricas. Por tanto, la altura puede corresponder sustancialmente al ancho de un canal de fluido. En algunas realizaciones, donde los electrodos alternos están conectados eléctricamente, la altura puede corresponder sustancialmente al ancho de dos o más canales de fluido concéntricos. La altura puede estar entre aproximadamente 1 y 20 mm, por ejemplo, aproximadamente 20 mm, aproximadamente 16 mm, aproximadamente 14 mm, aproximadamente 10 mm, aproximadamente 8 mm, aproximadamente 7 mm, aproximadamente 6 mm, aproximadamente 5 mm, aproximadamente 3,5 mm, aproximadamente 3 mm, o sustancialmente equivalente al ancho de uno o más canales de fluido. En realizaciones en donde la rueda del conector eléctrico tiene un ancho menor que el electrodo, la altura del radio puede ser mayor que el ancho de uno o más canales de fluido, según sea necesario para proporcionar conexión entre ruedas concéntricas adyacentes o no adyacentes.
El ancho del radio, identificada por W en la FIG. 24B, puede dimensionarse para minimizar la longitud de la zona de velocidad reducida (como se describió anteriormente con respecto al separador) al tiempo que proporciona una conexión eléctrica adecuada entre ruedas concéntricas. En algunas realizaciones, el ancho del radio puede estar entre 0,25 y 2 veces la altura del radio. Por ejemplo, el ancho del radio puede estar entre aproximadamente 0,5 mm y aproximadamente 10 mm, entre aproximadamente 0,5 mm y aproximadamente 7 mm, entre aproximadamente 0,5 mm y aproximadamente 5 mm, entre aproximadamente 0,5 mm y aproximadamente 3 mm, entre aproximadamente 0,5 mm y aproximadamente 2 mm, o entre aproximadamente 0,5 mm y aproximadamente 1 mm. El ancho del radio puede estar entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 20 mm, entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 15 mm, entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 12 mm, o entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 10 mm. El ancho del radio puede ser tan pequeño como sea necesario para reducir la resistencia aerodinámica del fluido, pero adecuada para proporcionar conexión eléctrica entre ruedas concéntricas. En algunas realizaciones, el material puede seleccionarse para proporcionar resistencia adecuada en un volumen pequeño. Convencionalmente, las limitaciones de fabricación han restringido la selección del tamaño del conector eléctrico. Sin embargo, el titanio puede proporcionar una mayor resistividad en un volumen pequeño, reduciendo la zona de velocidad reducida. Además, los radios y/o las ruedas pueden ser hidrodinámicos para reducir aún más la zona de velocidad reducida.
La longitud del radio, identificada por L en la FIG. 24C, puede dimensionarse para minimizar la resistencia eléctrica y la generación de calor, manteniendo al mismo tiempo la disipación de energía deseada. Para una altura (el espacio entre ruedas concéntricas) y un ancho (el ancho seleccionado para minimizar la zona de velocidad reducida) dadas, la longitud se puede seleccionar en función de un umbral de resistencia usando la ecuación anterior. Además, la resistencia puede seleccionarse para minimizar la generación de calor, como se describió anteriormente. En algunas realizaciones, la longitud puede estar entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 15 mm, por ejemplo, entre aproximadamente 5 mm y 15 mm o entre aproximadamente 7,5 mm y 15 mm.
La resistencia, la generación de calor, la disipación de potencia y la zona de velocidad reducida del conector eléctrico también pueden depender del número de radios previstos. En algunas realizaciones, el número de radios se selecciona para minimizar la resistencia eléctrica, minimizar la generación de calor, minimizar la zona de velocidad reducida o proporcionar una disipación de potencia adecuada. Los conectores eléctricos pueden incluir entre aproximadamente 1 y 8 radios entre ruedas adyacentes, por ejemplo, entre aproximadamente 2 y 6 radios o entre aproximadamente 3 y 6 radios, o según sea necesario para cumplir con los requisitos deseados.
En general, la cantidad de corriente a través de un radio puede determinarse por la corriente aplicada, el área de superficie del electrodo tubular y el número y distribución de los radios. La disposición de los radios en el conector eléctrico puede tener un efecto en la distribución de corriente a lo largo de la o las ruedas. En algunas realizaciones, los radios pueden distribuirse sustancialmente de manera uniforme para proporcionar una distribución uniforme de la corriente. En una realización ejemplar, la distribución de corriente mejora con un número creciente de radios, en donde los radios están distribuidos sustancialmente de manera uniforme a lo largo de la rueda. Por lo tanto, el número y la disposición de los radios se pueden seleccionar para proporcionar una distribución de corriente adecuada, manteniendo al mismo tiempo la zona de velocidad reducida dentro de una longitud predeterminada para mantener las propiedades de autolimpieza de la celda electroquímica, como se describió anteriormente.
Además, la disposición de los radios de una primera rueda con respecto a los radios de una rueda concéntrica adyacente puede tener un efecto sobre la distribución de corriente. Los radios de las ruedas adyacentes pueden estar dispuestos colinealmente (es decir, alineados entre sí) o pueden estar desplazados angularmente entre sí. En algunas realizaciones, los radios previstos en ruedas concéntricas adyacentes pueden estar sustancialmente desplazados de manera uniforme entre sí para proporcionar una distribución uniforme de la corriente. En una realización ejemplar, la distribución de corriente mejora con un número creciente de radios, donde los radios previstos en ruedas concéntricas adyacentes están desplazados sustancialmente de manera uniforme.
En las FIGS. 26A, 26B, 27A y 27B se han mostrado realizaciones ejemplares de conectores eléctricos. La distribución de corriente a lo largo de las realizaciones ejemplares de las FIGS. 26A y 26B se muestran en las FIGS. 26C y 26D (imágenes izquierda y derecha, respectivamente). La distribución de corriente a lo largo de las realizaciones ejemplares de las FIGS. 27A y 27B se muestran en las FIGS. 27C y 27D (imágenes izquierda y derecha, respectivamente). La zona de velocidad reducida producida por cada uno de los conectores eléctricos ejemplares de las FIGS. 26A, 26B, 27A y 27B se muestra en los mapas de contorno de las FIGS. 28A-28D, donde la FIG. 28A corresponde a la realización ejemplar de la FIG. 26A, la FIG. 28B corresponde a la realización ejemplar de la FIG.
26B, la FIG. 28C corresponde a la realización ejemplar de la FIG. 27A, y la FIG. 28D corresponde a la realización ejemplar de la FIG. 27B. Cada uno de los mapas de contorno ejemplares de las FIGS. 26 y 28 se calcularon para una solución electrolítica de muestra de agua de mar que fluye a una velocidad promedio de 2,0 m/s.
En algunas realizaciones, como se muestra en las FIGS. 29A-29B, el conector eléctrico 1240 puede contener una característica para acoplarse con el separador 1180. Las dimensiones del separador y del conector eléctrico pueden diseñarse teniendo en cuenta el efecto sobre la zona de velocidad reducida que puede crear la combinación de elementos. En algunas realizaciones, los salientes del separador pueden ser colineales con uno o más radios del conector eléctrico para reducir la zona de velocidad reducida. En otras realizaciones, los salientes del separador pueden estar desplazados angularmente de los radios del conector eléctrico.
Además, durante el funcionamiento de una celda electroquímica, a menudo es deseable mantener baja la temperatura de funcionamiento incluso cuando se hace pasar un flujo mayor de corriente eléctrica a la celda electroquímica. Las celdas electroquímicas convencionales normalmente incluyen conectores eléctricos únicamente de titanio soldados a una envolvente exterior de titanio. Los conectores eléctricos de titanio generalmente proporcionan un alto grado de resistencia química, pero pueden no ser óptimos para proporcionar corriente a la celda electroquímica sin generar cantidades indeseables de calor (y desperdicio de energía). Debido a la alta resistividad de los conectores de titanio, es posible que sea necesario limitar la corriente suministrada al conector de titanio tradicional, para que el aumento de temperatura de los conectores en el aire no aumente excesivamente. Sin embargo, esto limita la producción de producto producido por la celda electroquímica, ya que la generación de producto es directamente proporcional a la entrada de corriente. Debido a la generación de calor en los conectores de titanio tradicionales, los conectores no pueden encerrarse totalmente en un material eléctricamente aislante con un nivel de grado de protección elevado, de IP54 o superior. Esta disposición normalmente da como resultado la necesidad de costosas envolventes eléctricas que no atrapen tanto calor como un conector eléctrico encapsulado. Para superar estos problemas, los conectores de titanio tradicionales suelen estar hechos de un material de sección transversal más grande, lo que aumenta sustancialmente el coste del conector eléctrico y de la celda electroquímica.
La resistividad del cobre es 1,707 x 10-8 ohm-m mientras que la resistividad del titanio es 7.837 x 10-7 ohmios-m. El cobre tiene casi 46 veces menos resistividad eléctrica que el titanio. Por consiguiente, en algunas realizaciones el conector eléctrico puede estar hecho al menos parcialmente de cobre de baja resistividad. Sin embargo, el cobre es más susceptible a la corrosión química que el titanio y, por lo tanto, debe mantenerse fuera de contacto con el electrolito que discurre a través de una celda electroquímica.
En algunas realizaciones, la parte del conector eléctrico en contacto con el fluido del proceso o electrolito (por ejemplo, agua de mar que contiene trazas corrosivas de cloro equivalente) puede ser titanio. El calor generado por las corrientes eléctricas que fluyen a través de este material se elimina eficientemente mediante el fluido de proceso que fluye. Como la velocidad del flujo de autolimpieza del fluido de proceso puede ser superior a 2 m/s, el aumento de temperatura en la parte de titanio del conector eléctrico generalmente se mantiene en un valor insignificante. La parte del conector eléctrico en contacto con el aire puede ser de cobre (u otro metal o aleación que tenga una resistividad menor que el titanio).
Los conectores eléctricos enfriados por aire-líquido que incluyen porciones formadas de diferentes metales, por ejemplo, titanio y cobre (u otro metal o aleación que tenga una resistividad menor que el titanio) pueden superar los problemas que presentan los conectores de titanio tradicionales. Se puede formar o incluir un metal menos resistente eléctricamente (por ejemplo, cobre) en una parte del conector eléctrico expuesta al aire. Debe entenderse que el cobre es un ejemplo de un material de alta conductividad, y los conectores eléctricos aquí descritos pueden sustituir el cobre por otro material o aleación de alta conductividad. Por tanto, los términos "porción de cobre" y "cobre" se utilizan en el presente documento por conveniencia, pero se entiende que estos términos no limitan que estos elementos estén formados de cobre.
Debido a la baja resistencia eléctrica superior del cobre, el aumento de temperatura puede limitarse a un valor pequeño y aceptable. Este conductor exterior puede unirse a la parte interior del conector de mayor resistencia química (por ejemplo, titanio) que está en contacto con el líquido del proceso (por ejemplo, agua de mar). Debido al efecto de refrigeración por agua del líquido de proceso, el aumento de temperatura de la parte interior más resistente a productos químicos (por ejemplo, titanio) del conector se puede limitar eficazmente a un valor pequeño y aceptable.
El conector eléctrico doble de metal en general puede ser más rentable que un conector tradicional de titanio para una tasa de corriente comparable. El conductor exterior del conector eléctrico de metal doble puede presentar un bajo aumento de temperatura y puede encapsularse en materiales eléctricamente aislantes, eliminando así la necesidad de costosas envolventes eléctricas. Además, las realizaciones del conector eléctrico doble de metal enfriado por airelíquido pueden proporcionar el suministro de una corriente mucho mayor a las celdas electroquímicas que se están desarrollando que de otro modo sería el caso con los conectores de celdas eléctricas tradicionales únicamente de titanio.
La porción de titanio y la porción de cobre pueden estar conectadas física y eléctricamente dentro de una brida de la celda electroquímica que proporciona un cierre hermético alrededor de las partes del conector y sella el interior de la celda electroquímica del ambiente externo usando, por ejemplo, juntas. En algunas realizaciones, la porción de titanio puede acoplarse a la porción de cobre mediante sujetadores mecánicos, por ejemplo, pernos. Los pernos 1420 pueden formarse del mismo material que la porción de titanio o la porción de cobre. La porción de titanio puede incluir brazos o radios que hacen contacto eléctrico con uno de los ánodos o cátodos en un dispositivo electroquímico y aberturas para permitir que el fluido de proceso, por ejemplo, electrolito, fluya hacia dentro o hacia fuera del dispositivo electroquímico. Los brazos o radios pueden incluir una característica, por ejemplo, ranuras para facilitar la aplicación con los electrodos en el dispositivo electroquímico. La porción de titanio puede acoplarse adicional o alternativamente a la porción de cobre mediante un ajuste de interferencia. La porción de cobre puede extenderse desde la porción de titanio o puede rodear completamente la porción de titanio.
Además, la porción de titanio puede incluir un reborde exterior roscado que puede enroscarse in situ en la porción de cobre aplicando roscas complementarias en un reborde interior de una abertura en la porción de cobre. La porción de cobre puede incluir una porción roscada cilíndrica inferior que se enrosca en una abertura en la porción de titanio.
En una realización adicional, la porción de cobre puede reemplazarse por un conector eléctrico polimetálico, por ejemplo, una aleación de titanio y cobre o uno o más de otros metales de alta conductividad. El conector eléctrico polimetálico puede tener una resistividad menor que el titanio. El conector eléctrico polimetálico puede estar soldado o de otro modo ser físicamente continuo con la porción de titanio.
Se puede prever un elemento central sólido o director de flujo de fluido para impedir que el fluido fluya por el tubo central de una celda electroquímica y puenteando el espacio. El núcleo puede estar formado de un material no conductor, por ejemplo, uno cualquiera o más de PVC, PTFE, PVDF, ABS, HDPE u otros materiales apropiados. El núcleo puede estar desconectado mecánicamente del ánodo y del cátodo. En otras realizaciones, se pueden prever uno o más sujetadores mecánicos para fijar el núcleo en su lugar y/o unir el núcleo al alojamiento u otro elemento de la celda electroquímica, por ejemplo, el electrodo o la tapa de extremo. En otras realizaciones, el núcleo se mantiene en su lugar dentro del electrodo más interno mediante un ajuste por fricción. El núcleo puede hacer contacto solo con uno de los electrodos de ánodo y cátodo en algunas realizaciones. Uno de los electrodos de ánodo y cátodo puede estar desconectado y no hacer contacto con el núcleo.
En otras realizaciones, el elemento central puede ser un miembro conductor que está acoplado eléctricamente a uno de los electrodos de ánodo y cátodo y puede utilizarse para suministrar corriente a uno de los electrodos de ánodo y cátodo. En realizaciones adicionales, el elemento central puede incluir barras colectoras axiales y/u otros elementos centrales conductores aislados entre sí con una primera barra colectora axial y/u otro elemento central conductor acoplado eléctricamente al ánodo y una segunda barra colectora axial y/u otro elemento central conductor aislado eléctricamente del primero y acoplado eléctricamente al cátodo.
La celda electroquímica puede incluir deflectores internos. Los deflectores se pueden utilizar para controlar o modificar la dirección del flujo y/o la mezcla del fluido que pasa a través de la celda electroquímica y pueden proporcionar una longitud de trayectoria adicional a los canales de flujo de fluido en comparación con una celda electroquímica en ausencia de los deflectores. El flujo de fluido a través de la celda electroquímica puede ser desde las aberturas de entrada al conducto de fluido o desde el conducto de fluido a las aberturas de salida.
Las celdas electroquímicas como se describen en la presente memoria pueden incluirse como parte de un sistema más grande. El sistema puede ser en algunas realizaciones un sistema marítimo, por ejemplo, un barco o una plataforma petrolera, y en otras realizaciones un edificio terrestre, por ejemplo, una central de energía, una instalación o sistema de perforación petrolera u otra instalación industrial. En otras realizaciones, el sistema puede ser o incluir una piscina, o un sistema de tratamiento de agua potable, aguas residuales o procesos de tratamiento de agua industrial, que utiliza uno o más productos de dispositivos electroquímicos, por ejemplo, un desinfectante para tratar o desinfectar agua.
El sistema puede incluir una fuente de una solución electrolítica que se puede conectar de manera fluida a la celda electroquímica, por ejemplo, a través de la abertura ubicada sustancialmente en el centro de la tapa de extremo de entrada. La fuente de la solución electrolítica puede configurarse para suministrar la solución electrolítica a una velocidad de flujo promedio a través del canal de fluido igual o mayor que la velocidad de autolimpieza como se describe en la presente memoria. En algunas realizaciones, la fuente de solución electrolítica está configurada para suministrar la solución a una velocidad de flujo promedio de aproximadamente 2 m/s o mayor.
La fuente de la solución electrolítica puede incluir líquido de proceso, que en algunas realizaciones es agua de mar, salmuera o agua salobre de fuentes externas y/o internas al sistema. Por ejemplo, si el sistema es un sistema marítimo, una fuente externa puede ser el océano y una fuente interna puede ser, por ejemplo, un depósito de lastre en un barco. En un sistema terrestre, una fuente externa puede ser el océano y una fuente interna puede ser agua residual salobre de un proceso industrial realizado en el sistema.
El sistema puede configurarse para producir un compuesto de producto a partir de la solución electrolítica y generar una solución de producto que comprende el compuesto de producto. El uno o más sistemas electroquímicos pueden producir agua tratada o clorada y/o una solución que incluye, por ejemplo, hipoclorito de sodio, a partir del agua y distribuirla a un punto de uso. El sistema puede conectarse de manera fluida a un punto de uso, por ejemplo, a través de la abertura ubicada sustancialmente en el centro de la tapa de extremo de salida de la celda electroquímica. El punto de uso puede incluir un recipiente de almacenamiento o un sitio de distribución. El punto de uso puede ser una fuente de agua de refrigeración para el sistema, una fuente de agente desinfectante para un depósito de lastre de un barco, el fondo de un pozo de un sistema de perforación petrolera o cualquier otro sistema en donde pueda ser útil agua tratada o clorada. El punto de uso puede incluir un recipiente concentrador, por ejemplo, para la recirculación por lotes del producto. Varias bombas pueden controlar el flujo de fluido a través del sistema. Uno o más sensores pueden monitorizar uno o más parámetros del fluido que fluye a través del sistema, por ejemplo, concentración iónica, concentración de cloro, temperatura o cualquier otro parámetro de interés.
Las bombas y sensores pueden estar en comunicación con un sistema de control o controlador que se comunica con los sensores y bombas y controla el funcionamiento de las bombas y otros elementos del sistema para lograr los parámetros operativos deseados. El controlador utilizado para monitorear y controlar el funcionamiento de los diversos elementos del sistema puede incluir un sistema de control computarizado. Los dispositivos de salida también pueden comprender válvulas, bombas o interruptores que pueden utilizarse para introducir agua producto (por ejemplo, agua salobre o agua de mar) de la fuente en el sistema electroquímico o punto de uso y/o para controlar la velocidad de las bombas.
Uno o más sensores también pueden proporcionar información al sistema informático. Estos sensores pueden incluir, por ejemplo, sensores que pueden ser, por ejemplo, sensores de flujo, sensores de presión, sensores de concentración química, sensores de temperatura o sensores para cualquier otro parámetro de interés para el sistema. Estos sensores pueden estar ubicados en cualquier parte del sistema donde serían útiles, por ejemplo, aguas arriba del punto de uso y/o del sistema electroquímico o en comunicación fluida con la fuente.
El sistema puede incluir una pluralidad de celdas electroquímicas dispuestas en serie. En algunas realizaciones, el sistema puede contener entre aproximadamente 2 y aproximadamente 10 celdas electroquímicas dispuestas en serie. El número de celdas electroquímicas en serie se puede seleccionar según sea necesario para producir un compuesto de producto que tenga las propiedades requeridas. Las celdas electroquímicas dispuestas en serie pueden tener componentes diseñados para minimizar la caída de presión, como se describió anteriormente. Los efectos de la caída de presión sobre las celdas electroquímicas posteriores en serie son generalmente acumulativos.
Según otro aspecto, se proporciona un método para operar una celda electroquímica como se reivindica. El método puede incluir introducir la solución electrolítica en la celda electroquímica, por ejemplo, a través de la abertura ubicada sustancialmente en el centro de la tapa de extremo de entrada, a una velocidad de autolimpieza como se describe en la presente memoria. El método puede incluir además conectar de manera fluida una pluralidad de celdas electroquímicas y operar las celdas electroquímicas en serie. En algunas realizaciones, el método puede incluir introducir la solución electrolítica a una velocidad de flujo promedio a través del canal de fluido de aproximadamente 2 m/s o mayor.
El método puede incluir generar un compuesto producto a partir de la solución electrolítica en la celda electroquímica autolimpiante. Para generar el compuesto del producto, la celda electroquímica puede funcionar aplicando una tensión a través de los electrodos, por ejemplo, una tensión suficiente para generar el compuesto del producto. La tensión suficiente para generar el compuesto producto puede depender generalmente de la composición de la solución electrolítica, la composición deseada del compuesto producto en una solución de producto, la velocidad de flujo promedio a través de la celda electroquímica y un número de celdas electroquímicas operadas en serie. En una realización ejemplar, los electrodos se operan a una densidad de corriente constante y la velocidad de flujo promedio se controla para producir la composición deseada del compuesto del producto. Por ejemplo, la celda electroquímica puede operarse a una velocidad de flujo promedio inferior a 10 m/s, inferior a 6 m/s, inferior a 3,5 m/s, inferior a 3 m/s o inferior a 2,5 m/s según sea necesario para generar una producto de la composición deseada. En la misma realización ejemplar, se pueden seleccionar varias celdas electroquímicas dispuestas en serie para generar el producto deseado, por ejemplo, se pueden seleccionar menos de 10, menos de 8, menos de 6, menos de 4 o al menos 2 celdas electroquímicas pueden ser dispuestas en serie según sea necesario.
El método puede comprender además hacer funcionar continuamente las celdas o el sistema electroquímico durante un período de tiempo predeterminado. Como se describió anteriormente, una celda electroquímica operada continuamente a la velocidad del flujo de autolimpieza puede reducir la incrustación y, por lo tanto, la necesidad de lavado ácido de la celda electroquímica. En algunas realizaciones, el sistema electroquímico puede funcionar de forma continua durante al menos 6 meses sin incrustaciones. Un sistema electroquímico de este tipo puede funcionar de forma continua durante 6, 12, 18, 24 o 36 meses sin incrustaciones.
Ejemplos:
Ejemplo 1: Caída de presión a través de la celda electroquímica
El conducto de fluido y el cono de una celda electroquímica pueden diseñarse para minimizar la caída de presión a través de la celda electroquímica. En una realización ejemplar, se generaron datos CFD para la presión de entrada a lo largo de varias dimensiones del conducto de fluido de entrada. Los datos suponen una solución electrolítica de agua de mar y una velocidad de flujo promedio de 2 m/s, pero se pueden usar otras soluciones electrolíticas y sus correspondientes velocidades de flujo autolimpiantes para obtener las condiciones deseadas. Los mapas de contorno para las diversas dimensiones de los conductos de fluido se muestran en las FIGS. 13A-13C. La realización ejemplar de la FIG. 13A tiene una región lineal de 20 mm. La realización ejemplar de la FIG. 13B tiene una región lineal de 50 mm, lo que da como resultado una presión de entrada promedio de 119 kPa. La realización ejemplar de la FIG. 13C tiene una región lineal de 75 mm, lo que da como resultado una presión de entrada promedio de 117 kPa. Como puede verse en las figuras, un aumento en la región de transición lineal tiene una reducción simultánea en la caída de presión.
Además, se generaron datos CFD para varios ángulos del cono de entrada en una longitud lineal del conducto de fluido constante (40 mm). Los datos se presentan en el mapa de contorno de velocidad de la FIG. 14A y el gráfico de la FIG. 14B. El ángulo de revolución del cono con respecto a la línea central (es decir, la mitad del ángulo del vértice) se aumentó de 10 a 45 grados y se evaluó la caída de presión. La caída de presión más baja (aproximadamente 18,8 kPa o 2,725 psi) se observó para el cono que tenía un ángulo de vértice de 50°.
Para un conducto de fluido ejemplar que tiene una región lineal de 40 mm, un ángulo del vértice del cono de entrada de 50° minimiza la caída de presión a lo largo de la celda electroquímica. Pueden determinarse condiciones similares para otros conductos de fluido y/o dimensiones de cono. También se pueden determinar condiciones similares para otras soluciones electrolíticas y/o velocidades de flujo promedio.
Ejemplo 2: Efecto de recirculación aguas abajo del separador y/o conector eléctrico
Se pueden desarrollar incrustaciones cuando la velocidad promedio del flujo de la solución electrolítica está por debajo de un valor umbral. El separador puede diseñarse para minimizar regiones de baja velocidad de flujo aguas abajo, por ejemplo, teniendo una configuración hidrodinámica. Como se muestra en los mapas de contorno de magnitud y velocidad de las FIGS. 30-31, la velocidad del flujo inmediatamente aguas abajo de un separador de borde recto se acerca a 0 m/s, lo que aumenta la probabilidad de que se produzcan incrustaciones en este lugar. Las flechas apuntan en la dirección del flujo y tienen una longitud que indica la magnitud de la velocidad del flujo. FIG. 30 muestra el mapa de contorno de una vista lateral del canal de fluido, mientras que la FIG. 31 muestra el mapa de contorno de una vista superior del mismo canal de fluido.
FIG. 32 es un mapa de contorno de velocidad de magnitud de un separador hidrodinámico. Como se muestra en la FIG. 32, el flujo aguas abajo es más uniforme y tiene una desviación de velocidad menor con respecto a la media. La desviación de velocidad de la media para la realización mostrada en la FIG. 32 se representa en el gráfico de la FIG.
22. Suponiendo una solución electrolítica de agua de mar y una velocidad de flujo promedio de 2 m/s, el porcentaje de dispersión de velocidad puede cruzar el ±5% del umbral medio a una distancia de flujo de aproximadamente 100 mm (desde el separador).
Por lo tanto, los separadores pueden diseñarse para crear un flujo aguas abajo más uniforme que tenga una desviación de velocidad menor con respecto a la media para reducir las incrustaciones. Un diseño de este tipo también puede reducir la longitud de la zona de velocidad reducida, añadiendo la capacidad de operar a una velocidad de flujo promedio más baja (requiriendo menos energía) y reduciendo o eliminando la necesidad de lavado con ácido de la celda electroquímica. Se pueden determinar condiciones similares para otras soluciones electrolíticas y/o velocidades de flujo promedio.
Ejemplo 3: Parámetros de flujo dentro de la celda electroquímica
Para el flujo en una tubería, el número de Reynolds generalmente se define como:
Ü.P HQ&lí
V U Á
donde:
Dh es el diámetro hidráulico de la tubería,
Q es el caudal volumétrico (m3/s),
A es el área de la sección transversal de la tubería (m2),
ues la velocidad media del fluido (m/s),
jes la viscosidad dinámica del fluido (kg/(m*s),
ves la viscosidad cinemática (m2/s), y
pes la densidad del fluido (kg/m3).
Para una celda electroquímica ejemplar que tiene una pluralidad de canales de fluido, se determinó que el número de Reynolds para el flujo de fluido a través del área de flujo entre el cono de entrada y el conducto de fluido era 57.847. La longitud aproximada de entrada a través de dicho conducto es de unos 380 mm. Para un flujo completamente desarrollado, la turbulencia tiende a ocurrir con un número de Reynolds mayor de aproximadamente 2600. Por lo tanto, el flujo a través del conducto de fluido es muy turbulento.
Para la misma celda electroquímica, se determinó que el número de Reynolds para el flujo de fluido a través de cada uno de los canales de fluido concéntricos era 14.581. La longitud de entrada aproximada para los canales de fluido es de unos 70 mm. El flujo a través de los canales de fluido y aguas abajo de los separadores se asemeja a un flujo laminar.
Estos valores suponen una solución electrolítica de agua de mar a 20 °C y una velocidad de flujo promedio de 2 m/s. Se pueden determinar condiciones similares para otras soluciones electrolíticas y/o velocidades de flujo promedio.
La fraseología y terminología utilizadas en la presente memoria tienen fines descriptivos y no deben considerarse limitantes. Tal como se utiliza en la presente memoria, el término "pluralidad" se refiere a dos o más artículos o componentes. Los términos "que comprende", "que incluye", "que lleva", "que tiene", "que contiene" y "que implica", ya sea en la descripción escrita o en las reivindicaciones y similares, son términos abiertos, es decir, significan " que incluyen, pero no limitados a." Por lo tanto, el uso de dichos términos pretende abarcar los elementos enumerados a continuación y sus equivalentes, así como elementos adicionales. Sólo las frases de transición "que consisten de" y "que consisten esencialmente de" son frases de transición cerradas o semicerradas, respectivamente, con respecto a las reivindicaciones. El uso de términos ordinales tales como "primero", "segundo", "tercero", y similares en las reivindicaciones para modificar un elemento de reivindicación no connotan por sí mismos ninguna prioridad, precedencia u orden de un elemento de reivindicación sobre otro ni el orden temporal en el que se realizan los actos de un método, sino que se utilizan simplemente como etiquetas para distinguir un elemento de reivindicación que tiene un nombre determinado de otro elemento que tiene el mismo nombre (pero para el uso del término ordinal) para distinguir los elementos de reivindicación.
Habiendo descrito así varios aspectos de al menos una realización, debe apreciarse que a los expertos en la técnica se les ocurrirán fácilmente diversas alteraciones, modificaciones y mejoras. Cualquier característica descrita en cualquier realización puede incluirse o sustituirse por cualquier característica de cualquier otra realización. Dichas alteraciones, modificaciones y mejoras están destinadas a ser parte de esta descripción y están destinadas a estar dentro del alcance de la invención. Por consiguiente, la descripción y los dibujos anteriores son sólo a modo de ejemplo.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Una celda electroquímica autolimpiante que comprende:
un cátodo y un ánodo dispuestos concéntricamente en un alojamiento alrededor de un eje central del alojamiento; un canal de fluido definido entre el cátodo y el ánodo y que se extiende paralelo al eje central; y
un separador que reside entre el cátodo y el ánodo en donde el separador comprende un anillo y una pluralidad de salientes que se extienden desde el anillo, teniendo cada saliente una altura que mantiene el ancho del canal de fluido,
en donde se selecciona un número de salientes y una longitud y ancho de cada saliente para mantener una zona de velocidad reducida dentro del canal de fluido aguas abajo del separador que sea inferior a 140 mm para una solución electrolítica que fluye a través del canal de fluido a una velocidad de flujo promedio de entre 2,0 m/s y 2,5 m/s, y
el separador dimensionado para mantener una desviación de la velocidad de la solución electrolítica con respecto a la media para estar dentro de ± 18% de una velocidad de flujo promedio de la solución electrolítica a través del canal de fluido.
2. La celda electroquímica autolimpiante según la reivindicación 1, en donde la desviación de velocidad con respecto a la media en la zona de velocidad reducida es menor que ± 5% de la velocidad de flujo promedio de la solución electrolítica.
3. La celda electroquímica autolimpiante según la reivindicación 2, en donde la desviación de velocidad de la media en la zona de velocidad reducida es menor que ± 2% de la velocidad de flujo promedio de la solución electrolítica.
4. La celda electroquímica autolimpiante según la reivindicación 1, en donde la zona de velocidad reducida es inferior a 120 mm para agua de mar que fluye a través del canal de fluido a una velocidad de flujo promedio de entre 2 y 2,5 m/s.
5. La celda electroquímica autolimpiante según la reivindicación 4, en donde la zona de velocidad reducida es inferior a 60 mm del separador.
6. La celda electroquímica autolimpiante según la reivindicación 1, que incluye una pluralidad de cátodos y una pluralidad de ánodos dispuestos concéntricamente alrededor del eje central del alojamiento y uno respectivo de una pluralidad de canales de fluido definidos entre cada cátodo y ánodo adyacentes, extendiéndose cada canal de fluido paralelo al eje central.
7. La celda electroquímica autolimpiante según la reivindicación 6, que incluye una pluralidad de separadores, cada separador configurado para mantener uno respectivo de la pluralidad de canales de fluido, incluyendo cada uno de la pluralidad de separadores un anillo y una pluralidad de salientes que se extienden desde el anillo.
8. La celda electroquímica autolimpiante según la reivindicación 1, en donde el separador está configurado para acoplarse con al menos uno del cátodo y el ánodo.
9. Un sistema que comprende:
la celda electroquímica autolimpiante según la reivindicación 1 que tiene una entrada y una salida en comunicación fluida con el canal de fluido; y
una fuente de la solución electrolítica que tiene una salida que se puede conectar de manera fluida a la entrada de la celda electroquímica autolimpiante y configurada para suministrar la solución electrolítica a una velocidad de flujo promedio a través del canal de fluido de 2 m/s o mayor,
la celda electroquímica autolimpiante configurada para producir un compuesto de producto a partir de la solución electrolítica y para generar una solución de producto que comprende el compuesto de producto, pudiendo la celda electroquímica autolimpiante ser conectada de manera fluida a un punto de uso a través de la salida.
10. El sistema según la reivindicación 9, en donde la fuente de la solución electrolítica comprende al menos una de agua de mar, agua salobre y .salmuera.
11. El sistema según la reivindicación 9, que incluye una pluralidad de celdas electroquímicas autolimpiantes dispuestas en serie.
ES18784594T 2017-04-14 2018-04-13 Nuevas características de flujo para células electroquímicas tubulares concéntricas autolimpiantes Active ES2965402T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762485539P 2017-04-14 2017-04-14
PCT/US2018/027564 WO2018191662A1 (en) 2017-04-14 2018-04-13 Novel flow features for self-cleaning concentric tubular electrochemical cells

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2965402T3 true ES2965402T3 (es) 2024-04-15

Family

ID=63793657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES18784594T Active ES2965402T3 (es) 2017-04-14 2018-04-13 Nuevas características de flujo para células electroquímicas tubulares concéntricas autolimpiantes

Country Status (12)

Country Link
US (2) US11713261B2 (es)
EP (1) EP3612665B1 (es)
JP (1) JP7123072B2 (es)
KR (1) KR102525743B1 (es)
CN (1) CN110546306B (es)
AU (1) AU2018253299B2 (es)
CA (1) CA3057850A1 (es)
EA (1) EA201992043A1 (es)
ES (1) ES2965402T3 (es)
HU (1) HUE065326T2 (es)
SG (2) SG11201908914PA (es)
WO (1) WO2018191662A1 (es)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB202018067D0 (en) * 2020-11-17 2020-12-30 Clean Comb Ltd Electrolysis unit
JP2024505518A (ja) * 2021-01-28 2024-02-06 デ ノラ ウォーター テクノロジーズ エルエルシー 管状反転極性自己洗浄槽
BE1029516B1 (nl) * 2021-06-21 2023-01-23 Noah Water Solutions bvba Methode voor het behandelen van zwart water
AU2022443209A1 (en) * 2022-02-23 2024-08-22 Hydris Ecotech, S.L. Device for generating hydrogen gas and oxygen gas from water, and system for the same purpose, which includes the device

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2532016A (en) * 1945-06-05 1950-11-28 Dubilier William Electrical liquid treating device
US3873438A (en) * 1971-09-08 1975-03-25 Engelhard Min & Chem Electrolytic cell assembly including bipolar concentric electrodes
AU4905072A (en) 1972-11-30 1974-05-23 Romer S J L Chlorinating device
US3984303A (en) * 1975-07-02 1976-10-05 Diamond Shamrock Corporation Membrane electrolytic cell with concentric electrodes
CA2183062A1 (en) * 1994-02-10 1995-08-17 Bruce Davies Electrocatalytic dissolved oxygen generator for water processing
US6390185B1 (en) * 2001-03-06 2002-05-21 Richard A. Proeschel Annular flow concentric tube recuperator
US7413637B2 (en) * 2002-05-17 2008-08-19 The Procter And Gamble Company Self-contained, self-powered electrolytic devices for improved performance in automatic dishwashing
GB0328124D0 (en) 2003-12-04 2004-01-07 Daly James Membrane electrolyser with a two part end design
KR101061227B1 (ko) * 2008-11-27 2011-08-31 최장수 수중 플라즈마 방전을 이용한 수산기 라디칼 수와 수소산소가스 발생장치 및 이를 이용한 시스템
BR112013021758A2 (pt) * 2011-02-28 2016-10-18 Vito Nv separador, uma célula eletroquímica com o mesmo e uso da mesma no mesmo
GB2513368B (en) * 2013-04-25 2016-01-27 Radical Filtration Ltd Process apparatus
SG11201708126YA (en) * 2015-02-17 2017-12-28 Evoqua Water Tech Llc Reduced volume electrochlorination cells and methods of manufacturing same

Also Published As

Publication number Publication date
SG11201908914PA (en) 2019-10-30
CN110546306B (zh) 2022-06-24
JP7123072B2 (ja) 2022-08-22
US11713261B2 (en) 2023-08-01
JP2020516772A (ja) 2020-06-11
SG10202111433RA (en) 2021-12-30
US20230406733A1 (en) 2023-12-21
CN110546306A (zh) 2019-12-06
EP3612665C0 (en) 2023-11-08
KR102525743B1 (ko) 2023-04-25
CA3057850A1 (en) 2018-10-18
HUE065326T2 (hu) 2024-05-28
EP3612665B1 (en) 2023-11-08
AU2018253299A1 (en) 2019-10-17
KR20190134797A (ko) 2019-12-04
WO2018191662A1 (en) 2018-10-18
AU2018253299B2 (en) 2023-12-07
EP3612665A1 (en) 2020-02-26
EP3612665A4 (en) 2021-03-10
EA201992043A1 (ru) 2020-03-26
US20210139352A1 (en) 2021-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2965402T3 (es) Nuevas características de flujo para células electroquímicas tubulares concéntricas autolimpiantes
US11384441B2 (en) Reduced volume electrochlorination cells and methods of manufacturing same
US11958762B1 (en) Internal electrical connections for concentric tubular electrochemical cells