基于CFD的平行流铜电解槽槽型优化设计.pdf

4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 I ／J ．i s s n ．1 0 0 7 。7 5 4 5 ．2 0 1 6 ．0 6 ．0 0 2 基于C F D 的平行流铜电解槽槽型优化设计 周中元1 ，谢紫微2 1 ．五矿铜业 湖南 有限公司，湖南常宁4 2 1 5 1 3 ；2 ．中南大学，长沙4 1 0 0 0 8 摘要以平行流铜电解槽为对象，A N S Y S 软件为平台，对不同进液方式下电解槽槽内流场分布进行数 值模拟。结果表明，进液方式对平行流电解槽极间电解液的流动有重要影响，与下部分段进液槽型和 上部交错进液槽型相比，下部交错进液槽型具有较大的极问电解液流动速度与较均匀的速度场。 关键词铜电解；平行流；流场；数值模拟；槽型优化 中图分类号T F 8 1 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 6 0 6 0 0 0 4 0 5 O p t i m a lD e s i g no fP a r a l l e lF l o wC o p p e rE l e c t r o l y t i cC e l l b a s e do nC o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s Z H O UZ h o n g y u a n l ，X I EZ i w e i 2 1 ．M i n m e t a l sC o p p e r H u n a n C o m p a n yL i m i t e d 。C h a n g n i n g4 2 1 5 1 3 ，H u n a n ，C h i n a 2 ．C e n t e rS o u t hU n i v e r s i t y 。C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t F l o wc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o l y t ei nd i f f e r e n tp a r a l l e lf l o wc o p p e re l e c t r o l y t i cc e l l sw e r e s i m u l a t e db a s e do ns o f t w a r eA N S Y Sw i t hp a r a l l e lf l o wc o p p e re l e c t r o l y t i cc e l la so b j e c t ．T h er e s u l t ss h o w t h a te n t e r i n gp a t t e r no fe l e c t r o l y t ei n t oc e l l sh a sb i gi n f l u e n c eo nf l o ws i t u a t i o no fp a r a l l e lf l o we l e c t r o l y t i c b e t w e e na n o d ep l a t e sa n dc a t h o d ep l a t e s ．C o m p a r e dw i t hu p p e ri n t e r l a c e di n l e tc e l l ，l o w e ri n t e r l a c e di n l e t c e l lh a sf a s t e rr e f r e s hv e l o c i t ya n d m o r eu n i f o r me l e c t r o l y t ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n ． K e yw o r d s c o p p e re l e c t r o l y s i s ；p a r a l l e lf l o w ；f l o wf i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c e l lt y p eo p t i m i z a t i o n 铜电解精炼是为了提高经火法精炼后粗铜产品 的纯度，以满足电气等其他工业对铜产品的要求口] 。 目前，铜电解生产工艺主要有两种一是传统始极片 电解工艺，电流密度为2 2 0 ～2 8 0A ／m 2 ；二是不锈钢 永久阴极电解工艺[ 2 ] ，电流密度为2 8 0 ～3 3 0A ／m 2 。 众所周知，提高铜电解产能的有效途径是提高电流 密度口。4 ] 。但电流密度的提高会导致阳极区电解液 扩散层加厚口] ，极易造成浓差极化、阳极钝化、阴极 铜长粒子等问题[ 6 。7 ] ，从而大大降低电流效率，影响 铜电解过程的正常进行。 近年来兴起的平行流电解技术，通过改变电解 液的供液方式，使电解液平行于阴极板板面流动[ 2 ] ， 提高电解液在极板间流动的均匀性，从而促进极板 间电解液的更新，在一定程度上改善浓差极化、阳极 钝化和阴极铜长粒子问题，有助于提高电流密度，是 一项高产能、高电效、低残极率、低标煤能耗的强化 电解技术[ 8 | 。奥地利的M o n t a n w e r k eB r x l e g g h [ 9 ] 、 中国的祥光铜业有限公司[ z ’1 们都先后使用该技术， 电流密度提高到4 0 0A ／m 2 ，有时可达4 3 0A ／m 2 ，大 大提高了电铜产能。 平行流电解技术的进液方式多种多样，如上部 进液、下部进液、交错进液或均匀进液，而不同的供 液方式以及管道的几何尺寸对槽内电解液的流场分 布有着重要的影响[ 1 1 | 。数值仿真技术以其成本低、 收稿日期2 0 1 5 - 1 2 - 1 0 基金项目国家自然科学基金资助项目 6 1 3 2 1 0 0 3 ；湖南有色研究基金重点项目 Y S Z N 2 0 1 3 Y J 0 1 作者简介周中元 1 9 7 3 一 ，男，湖南衡阳人，工程师． 万方数据 2 0 1 6 年第6 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 速度快、模拟能力强等优势，广泛应用于锌[ 12 | 、 铜‘1 3 ] 、铝⋯3 电解槽的流场模拟。本文基于数值仿 真技术，以A N S Y S 软件为平台，研究不同平行流电 解槽进液方式下的流场分布特征，获得流场较优的 平行流电解槽槽型，为电解槽的设计选型提供理论 依据。 1 铜电解槽物理模型 1 ．1 平行流电解槽结构 铜电解槽呈长方形，底部倾斜。槽内5 8 块阳极 板 高l0 0 0m m ，宽9 6 5m m ，厚1 0m m 和5 7 块阴 极板 高10 3 5m m ，宽10 1 0m m ，厚3 ．2 5m m 依次 交错悬挂其内，每两块同名极板问相隔1 0 0m m 。 电解槽模型简化结构如图1 所示，电解液从入口流 人供液管，从布置在供液管上的分液孔喷出，以一定 的速度流人电解槽内，在槽内经复杂电解过程后再 从出口流出电解槽。 供液管 a F 邵分段进踱褶型； b 上邵交错进液槽型5 c 下部交错进液槽型 图13 种平行流槽型结构示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h r e ep a r a l l e l f l o wc o p p e re l e c t r o l y t i cc e l l s 本文研究的槽型主要分为3 种，即下部分段进 液槽型、上部交错进液槽型、下部交错进液槽型。下 部分段进液槽型在供液管首、尾和中心位置开有分 液口，如图l a 所示，在槽的首、末端位置 B 处，供 液管同一圆周上分布有2 个分液孔；在中心位置 A 处，供液管同一圆周上分布有3 个分液孔。对 于上部交错进液槽型，两根供液管布置在槽的两侧 外部区域，且分别在两侧供液管上交错地开有相同 直径的分液孔 图1 b 。对于下部交错进液槽型，两 根供液管分别安装在槽底两侧内部区域，相同直径 的分液孔均匀交错分布其上 图l c 。 1 ．2 铜电解槽计算区域网格划分 采用A N S Y S 网格划分模块A M 对上述铜电解 槽计算区域划分网格。以下部分段进液槽型为例， 采用四面体网格，网格数量为6 2 0 万，网格最小尺寸 2 ．0m m ，最大尺寸3 0m m ，增长率1 ．2 。 2 电解液流动数学模型 铜电解过程是一个复杂的物理化学过程，为了 更好地分析电解槽结构参数对流场的影响，使问题 简化，结合铜电解的生产实践，对电解液流动过程进 行如下假设。 1 将电解液的流动视为稳态流动 在电解槽人口端有一定的溶液流入，出口端有 一定的溶液流出，在整个生产过程稳定的条件下，电 解液的流动基本不随时间的变化而变化，因此将电 解液的流动近似处理为稳态过程。 2 忽略电解液温度和浓度对流场的影响 考虑到生产过程中，电解液的温度一般为5 8 ～ 6 5 ℃，温差对电解液密度的影响较小，考虑到电解 过程中电解液通过进口与出口不断循环，电解槽中 电解液浓度梯度较小，各极板区域电解液浓度相对 均匀，密度变化不大，故将电解液密度视为常数[ 1 引。 控制方程为连续性方程和稳态N a v i e r S t o k e s 方程 V 赢 一0 1 V 1 D ““ 一V p 。“V “ 一V p l D g 2 式中p 为密度 k g ／m 3 ；云为速度矢量 m ／s ； 岸鲋为有效黏度 k g ／m s ；l 。蚕为作用在微元体上 的重力 N ／m 3 ；p 为静压 P a 。 湍流模型选用标准肛e 模型，电解液密度 l2 1 1 ．9k g ／m 3 ．电解液温度5 8 ～6 5 ℃，电解液动力 黏度1 ．0 2g ／ m s ，电解液循环量为3 5L ／m i n 。 在对铜电解槽内溶液流动的数值模拟过程中， 有以下4 种边界条件。 万方数据 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第6 期 1 固壁边界条件 壁面默认为无滑移边界条件。 2 自由液面一对称面边界条件 将自由液面视作无阻力，在自由液面上设置对 称边界。 3 人口边界条件 人口面边界条件设置为速度入口，其值为U i 一 粤，其中Q 为总循环量，d 为供液管直径。 丌a 4 出口边界条件 电解液从电解槽出口端流出，出口与大气相 连，因此采用压力出口边界条件，出口边界静压设 置为0P a 。 3 计算结果与分析 3 ．1 不同进液方式下平行流电解槽流场的比较 3 种不同进液方式下平行流电解槽流场的数值 模拟结果见图2 ～4 ，为清晰表示电解液流动方向， 采用了长度相同的箭头。结合图2 ～4 共同分析槽 内电解液的流场分布。显然，不同的进液方式，电解 槽中电解液的流动方式呈现出完全不同的特征。 a 下部分段进液槽型； b 上部交错进液槽型； c 下部交错进液槽型 图23 种不同进液式平行流电解槽中部极板附近纵截面矢量图 F i g ．2V e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o no fl o n g i t u d i n a ls e c t i o ni nc e n t r a lr e g i o n f o rt h r e ed i f f e r e n tp a r a l l e lf l o we l e c t r o l y t i cc e l l s a 首、末端有分液孔极板附近； b 无分液口极板附近； c 中部有分液孔极板附近 图3 下部分段进液槽型不同位置极板附近纵截面矢量图 F i g ．3V e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o no fl o n g i t u d i n a ls e c t i o nn e a rd i f f e r e n t e l e c t r o d e sl o c a t e di nl o w e rs e c t i o n a l i z e di n l e tc e l l 万方数据 2 0 1 6 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 7 V e l o c i t y C O n t O U r l r Ⅲ№州m b 聪43 7 s c 一 1 3 37 瓢 e H 3 ，3 ．1 2 s e M { ‘2 ．5 X l e X 聃 。1 ．8 7 5 e 一 0 3 ’l25 { e M 1 3 羞6 筋 e - x 1 4 ■o 删 e x ms - I f a 下部分段进液槽型I ∽卜部交错进液槽型{ 。 卜．部交错进液惜删 图43 种平行流进液式电解槽不同极板附近截面电解液速度分布云图 №4V e l o c i t yd i s t r i b u t i o nc o n t o m - o fs e c t i o n sn e a rd i f f e r e n te l e c t r o d e sl o c a t e di nt h r e ep a r a l l e lf l o wd e c t r o l y t i cc e l l s 对于下部分段进液式电解槽，在电解槽的中部， 供液管同一圆周方向开有3 个分液孔，该部分电解 液能够以较大的速度从分液孔流出，在电解槽底部， 供液管和侧壁之间形成两个对称的漩涡。由于两侧 分液孔与水平方向夹角为6 0 。，电解液向上运动的 速度分量较小，致使极间电解液运动速度较小，不利 于极间电解液的更新。同时，另一部分电解液经中 间分液孔竖直向上入射到极板间 见图2 a 、图4 a ， 极间大部分区域电解液运动方向向下，与阳极泥的 沉降方向相反，对阳极泥的沉降不利。在电解槽的 进液端，供液管同一圆周方向开有2 个分液孔，该区 域极间电解液流动趋势与中部相同，但由于中间没 有分液孔，在供液管上部区域有一个小的回流 见图 3 。在电解槽的末端，分液孔的开孔方式与进液端 相同，极间电解液的流动趋势与进液端基本相同，但 由于沿供液管内电解液的流动方向，电解液的流动 阻力增加，该区域由分液孑L 流出的电解液速度相对 较小，致使极间电解液的流速明显低于进液端 见图 4 。在无分液孔区域，极间电解液以较小的速度整 体向下流动 见图3 与图4 ，有利于阳极泥的沉降。 图4 a 表明电解液主要从供液管中间位置的分液孔 中流出，沿电解槽长度方向，极间电解液的速度分布 相差较大。 对于上部交错进液槽型，电解液从分液孔中流 出后，一部分电解液以较大的速度水平入射到对面 侧壁，另一部分电解液沿着电解槽侧壁向下流动，再 从槽底部区域回流至极板间，构成一个大的漩涡 见 图2 b 。从图4 b 与图2 b 可以看出，由于采用了交 错供液方式，每一组极板间都对应一个分液口，故沿 电解液的流动方向，电解液在每组极板间的流动规 律相同，电解槽首尾两端分液孔的出流速度变化不 大。另一方面，电解液在极间的速度分布不均匀，极 万方数据 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第6 期 间上部区域流速较大，而下部流速较小，且其流动方 向与阳极泥沉降方向相反，不利于阳极泥的沉降。 对于下部交错进液槽型，从分液孔流出的电解 液以较高的速度沿电解槽侧壁竖直向上运动，再分 别由极板两侧进入极问，之后在重力作用下，从极板 中部区域汇集后流入电解槽底部，由此形成两个基 本对称的漩涡 见图2 c 。由图2 c 与图4 c 可以看 出，与上部交错进液槽型类似，由于同样采用了交错 供液的方式，该槽型中每组极板间的电解液流动特 性相同。但由于其供液管道布置在电解槽底部，故 其高速区域出现在电解槽侧壁和极板之间，而极间 上部区域的流速则相对较小。 3 ．2 不同平行流槽型流场特征参数比较 本文采用极间电解液的体平均速度与相对均方 差来表征电解槽中极间电解液流动状况，为电解槽 槽型的优化提供依据。 体平均速度是指电解槽内极板区域所有网格单 元体内速度的体积加权平均值，其表达式为 甜一可1 蚤n u , { V 3 式中，“。是每个单元网格计算得到的速度，而“ 是电解槽加权体平均速度；同样，V ；是每个单元网 格的体积，而V 是所有单元网格体积之和；站为网格 个数。体平均速度越大，说明溶液在该区域流动越 剧烈，极板间的电解液更新速度也越快。 相对均方差用来描述电解液在电解槽内分布的 均匀性。相对均方差越小，电解液在槽内分布越均 匀，相对均方差越大，电解液在槽内分布越不均匀。 相对均方差可表示为 R 一 √势刊2 V 砂i 4 根据式 3 ～ 4 的计算结果，下部分段进液槽 型、上部交错进液槽型和下部交错进液槽型平行流 电解槽内电解液的体平均速度分别为0 ．3 7 4 、 0 ．2 6 7 、1 ．0 4 4m m ／s ，相对均方差分别为3 ．5 3 2 、 1 ．3 1 9 、0 ．9 9 5 。由此可知，相比于下部分段进液槽 型，上部交错进液槽型和下部交错迸液槽型的相对 均方差都较小，因此上部交错进液槽型和下部交错 进液槽型极板区域电解液分布更加均匀。同时，相 对于上部交错进液槽型，下部交错进液槽型极间电 解液流速更大，有利于加快极板表面电解液的更新。 因此，对于所研究的3 种进液方式的电解槽，下部交 错进液槽型具有较大的极间电解液流动速度与较均 匀的速度场。 4结论 1 从极间电解液的运动态势来看，下部分段进 液型电解槽内不同区域极问电解液流动态势不同， 在供液管开有分液孑L 区域，存在两个由中间朝侧壁 运动的漩涡，极间电解液整体朝上运动，上部区域速 度较小，其他区域极间电解液以较小的速度朝下运 动；上部交错型电解槽内电解液呈现出由侧壁向下、 由底部向上的一个大循环，极间电解液具有整体向 上运动的态势，自由表面电解液具有较大的速度；下 部交错型电解槽内电解液呈现出由侧壁向上、由自 由表面向下的两个漩涡，极间下部区域电解液具有 较大的速度，电解液整体向下运动，与阳极泥沉降方 向相同。 2 从电解槽长度方向来看，极间电解液的速度 分布相差较大，供液管首端的分液孔具有较大的出 流速度，末端出流速度显著减小，大部分电解液由中 部分液孔流至电解槽；上部交错迸液槽型与下部交 错进液槽型，沿着供液管电解液流动方向，极间电解 液流场分布类似。 3 对于所研究的3 种进液方式的电解槽，下部 交错进液槽型具有较大的极间电解液流动速度与较 均匀的速度场。 参考文献 [ 1 ] 中国有色金属学会重有色金属冶金学术委员会．铜冶金 [ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 4 2 2 4 2 2 5 ． E 2 ] 周松林．高强化铜电解精炼新工艺与生产实践E J ] ．有 色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 2 卜4 ． [ 3 3 宣善伦．高电流密度下生产阴极铜的实践[ J ] ．中国有 色冶金，2 0 0 7 ，3 6 6 2 7 2 8 ，5 3 ． [ 4 ] 黄辉荣．大极板高电流密度常规铜电解技术研究[ D ] ． 南京南京理工大学，2 0 0 7 ． [ 5 ] F I L Z W I E S E RA ，F I L Z W I E S E RI ，K O N E T S C H N I KS ． N e wt e c h n o l o g yf o re l e c t r o r e f i n i n go fc o p p e r [ J ] ．J O M ， 2 0 1 2 ，6 4 1 1 1 2 9 0 1 2 9 5 ． [ 6 ] 朱祖泽，贺家齐．现代铜冶金学[ M ] ．北京科学出版社， 2 0 0 3 1 4 5 - 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