Koja je uloga PTFE izmjenjivača u predgrijavanju sirovine za elektrolizere zelenog vodika?

Elektrolizer s membranom za izmjenu protona (PEM) uređaj je koji vodu dijeli na vodik i kisik pomoću tanke, dragocjene i vrlo osjetljive polimerne membrane. Napojna voda mora biti vrlo čista i izmjenjivač topline koji zagrijava napojnu vodu prije nego što uđe u dimnjak ne može unijeti niti jedan dio-na-milijardu metalnih iona koji bi otrovali katalizator u membrani. Termalni čuvar koji ne-zagađuje ovo zeleno gorivo je PTFE izmjenjivač. S rastom ekonomije vodika, uloga PTFE izmjenjivača topline o kojoj ovise sustavi zelene vodikove elektrolize postaje kritična za dizajnere procesa i operatere postrojenja.

Predgrijavanje PEM koraka elektrolize
Ultračista deionizirana voda obično se zagrijava na 60-80 stupnjeva prije ulaska u dimnjak elektrolizera. Ionska vodljivost membrane raste s povećanjem temperature napajanja, što dovodi do nižih ohmičkih gubitaka i veće ukupne energetske učinkovitosti. Ovo predgrijavanje općenito se provodi s niskim izvorom topline, npr. rashladnom petljom samog elektrolizera ili otpadnom toplinom iz nizvodnog procesa. Izmjenjivač topline u ovoj petlji je potreban za prijenos toplinske energije iz izvorne tekućine u struju čiste vode bez kontaminacije potonje.

Zašto metalni izmjenjivači topline ne rade
Metallic heat exchangers (stainless steel, copper, titanium) will always release trace metal ions to the water by corrosion, erosion or diffusion. The membrane and its catalyst layer in a PEM electrolyzer are very susceptible to ionic contamination. Metal ions (iron, chromium, nickel, copper, etc.) may penetrate the membrane, stimulate breakdown events and irreversibly decrease the proton conductivity. Even parts‐per‐billion metal poisoning reduces membrane life from years to months . PEM operation requires feed water resistivity of >1 MΩ·cm za pouzdan rad. Mnogi PEM sustavi ciljaju na 18 MΩ·cm, teorijsku granicu za ultračistu vodu. Tijekom vremena, metalni izmjenjivači topline ne mogu održati ovu čistoću.

PTFE rješenje: potpuno-fluoropolimerna konstrukcija
Tipični PTFE izmjenjivač topline za ovu uslugu je ljuska-i-cijevna jedinica s-PTFE konstrukcijom. I cijevi i omotač (ili sve navlažene površine) izrađene su od politetrafluoretilena (PTFE) ili drugog fluoropolimera kao što je PFA. Obje strane PTFE cijevi su ovlažene – ultračista voda teče unutar cijevi, a medij za zagrijavanje (npr. topla rashladna tekućina iz petlje za hlađenje elektrolizera) teče izvan cijevi na strani omotača. Kemijska inertnost PTFE-a znači da se metalni ioni, organske iscjedne vode ili čestice ne ispuštaju u tok vode.

Toplinska i mehanička kompatibilnost
PTFE je odobren za kontinuiranu upotrebu u uvjetima vode do 80 stupnjeva. Ovo je u potpunosti kompatibilno s rasponom predgrijavanja od 60–80 stupnjeva za PEM elektrolizere. Ne{6}}ljepljiva površina materijala izbjegava stvaranje bio-filmova ili naslaga kamenca bez upotrebe biocida. Nadalje, glatke stijenke cijevi osiguravaju minimalan pad tlaka i lako čišćenje, ako je potrebno.

Napomena o čistoći: Potreba za zatvorenom-petljom, sustavom-vode s dušikom
Izmjenjivač topline bez metala sam po sebi nije dovoljan za održavanje otpora ulazne vode od 18 MΩ*cm. Cijela vodena petlja od deionizatora do elektrolizera i natrag preko izmjenjivača topline mora biti zatvoreni, zapečaćeni sustav, bez atmosferskog ugljičnog dioksida ili kisika u kontaktu s njim. Ugljični dioksid se otapa i stvara ugljičnu kiselinu, koja smanjuje otpornost i proizvodi karbonatne ione. Sustav zelene vodikove elektrolize PTFE izmjenjivača topline stoga je općenito ugrađen u recirkulacijsku petlju -oklopljenu dušikom. Gornji prostor spremnika za vodu pročišćava se dušikom visoke čistoće, a sve navlažene komponente (cjevovodi, ventili, priključci) obložene su fluoropolimerima ili su izrađene od inertnih materijala. PTFE izmjenjivač obavlja svoju dužnost bez utjecaja na već zaštićenu kvalitetu vode.

Dodatne operativne prednosti PTFE izmjenjivača u ovoj primjeni
Nema nuspojava s katalizatorom
Za razliku od metalnih površina koje mogu katalizirati razgradnju tragova vodikovog peroksida ili ozona (nusprodukti elektrolize), PTFE je potpuno pasivan. Time se izbjegava stvaranje radikala koji bi mogli oštetiti membranu.

Dugi vijek trajanja s demineraliziranom vodom
Demineralizirana voda je neprijateljska prema mnogim metalima jer uklanja zaštitne slojeve oksida. Voda visokog otpora nema utjecaja na PTFE čak ni pri visokim temperaturama. Izmjenjivač ne zahtijeva pasivizaciju niti redovito uklanjanje kamenca, čime se štede troškovi održavanja.

Dizajn fleksibilne školjke-otporne na koroziju
Strana omotača izmjenjivača također može biti izrađena od PTFE-a ili ojačanog fluorpolimera tako da medij za grijanje može biti donekle kontaminiran ili kiseli tok otpada bez opasnosti od unakrsnog -curenja. Ako ste imali curenje kroz rupicu u PTFE cijevi, dvije tekućine (obje na bazi vode) bi se pomiješale, ali ne bi došlo do katastrofalne korozije ili kontaminacije tekućina. Ako metalna cijev procuri, odmah unosite ione.

Zaključak.
Srce multimilijunske tvornice vodika budućnosti zaštićeno je skromnom petljom plastične cijevi. Petlja za predgrijavanje zelenog vodikovog elektrolizera PTFE izmjenjivača topline osigurava zaštitu elektrolizera isporukom ultračiste deionizirane vode u optimalnom rasponu od 60-80 stupnjeva, bez bilo kakve metalne kontaminacije koja bi mogla otrovati osjetljivu PEM membranu. To je ključan, ali često zanemaren dio lanca opskrbe zelenim vodikom, koji elektrolizeru daje čistu, toplu vodu potrebnu za dug i produktivan život. Najčišće gorivo zahtijeva najčišću procesnu opremu - a PTFE izmjenjivači daju upravo to.