隔膜钠电解槽流场分布的模拟计算.pdf

2 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 3 年第9 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 9 ．0 0 8 隔膜钠电解槽流场分布的模拟计算 刘中兴，何金辉，伍永福，董云芳，李阳 内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要通过C F D 软件建立相应的数学模型，首次利用数值方法对隔膜加入钠电解槽内流场的分布情况 进行模拟计算。结果表明，数值模拟计算得到了隔膜钠电解槽内的流场分布图，可以为先进制钠电解槽 的优化改良提供理论依据。 关键词隔膜钠电解槽；流场；模拟计算；C F D 中图分类号T F 8 2 6 一．2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 9 0 0 2 6 0 5 S i m u l a t i o nC a l c u l a t i o no fF l o wF i e l df o rD i a p h r a g mS o d i u mE i e c t r o l y z e r L I UZ h o n g x i n g ，H EJ i n h u i ，W UY o n g f u ，D O N GY u n f a n g ，L IY a n g S c h o o lo fE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a A b s t r a c t Am a t h e m a t i e a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t hC F Ds o f t w a r e ．T h ei n t e r n a lf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o ni n d i a p h r a g ms o d i u me l e c t r o l y z e rw a ss i m u l a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h ef i r s tt i m e ．T h er e s u l t ss h o w t h a ts i m u l a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o ni nd i a p h r a g ms o d i u me l e c t r o l y z e rc a n p r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m i z a t i o no fa d v a n c e ds o d i u me l e c t r o l y z e r ． K e yw o r d s d i a p h r a g ms o d i u me l e c t r o l y z e r ；f l o wf i e l d ；s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ；C F D 盐法电解是目前工业上生产金属钠的主流技 术口] 。先进的制钠技术国如美国、法国等采用卡斯 特钠法和东斯法工业熔盐电解槽，然而其内部结构、 工艺条件及相关设计理论依据在文献资料中均未公 开[ 2 - 4 3 。虽然现在我国的制钠技术有了长足发展，但 与先进国家的差距仍非常大，严重制约着我国制钠 产业及相关工业的发展。 由于熔盐电解耗能高，如何降低能耗、提高电流 效率，成为电解行业的重要研究课题之一，其中改善 电解槽内的流场是降低能耗、提高电流效率的重要 途径之一[ 5 ’10 | 。电解槽内的熔体流动，对电解效率 的影响很大。电解质流动主要是由于阳极表面生成 的气泡和阴极表面生成的钠液滴上浮造成的[ 7 。1 ⋯。 本文首次采用数值方法，利用C F D 软件对隔膜放在 电解槽阴阳极中间的流场分布进行模拟计算，得到 相应的流场分布情况，为研发先进的制钠电解槽提 供相关的理论依据。 1数学模型 1 ．1 钠电解槽几何模型 本文以4 0k A 制钠电解槽为模拟计算的实际 几何原型[ 2 叱1 1 。2 | 。阴阳极都是相互嵌套的轴对称 的圆环柱体，共4 组，均匀分布在电解槽内，其中隔 膜位于阴阳极中间n 1 。。为简化模拟计算，取槽体的 1 ／4 为研究对象。 1 ．2 基本假设 1 没有气泡因碰撞发生的聚并和破碎；2 气泡 没有旋转；3 忽略升力产生的影响；4 生成气泡尺寸 收稿日期2 0 1 3 0 3 0 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 6 4 0 2 5 ，5 1 0 6 4 0 2 0 ；内蒙古自然科学基金项目 2 0 1 1 M S 0 7 0 3 作者简介刘中兴 1 9 6 3 一 ，男，河北赵县人，博士，教授． 万方数据 2 0 1 3 年第9 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 2 7 均匀，都为球形；5 不考虑气泡上升的影响；6 忽略 气泡间的相互作用；7 忽略虚拟质量力。 1 ．3 边界条件 1 给定入口流速；2 出口压力为标准大气压；3 近壁面采用标准壁面函数，固体壁面采用无滑移边 界；4 对称面上变量的梯度为零。 1 ．4 数学控制方程 隔膜钠电解槽内部分为隔膜部分的多孔介质区 域和非隔膜部分的自由流动区域[ 13 | 。自由流动区 域采用标准的k - e 湍流模型u3 。1 6 一，而多孑L 介质区域 采用修正的湍流模型[ 17 屯1 ] 即多孑L 介质模型 。该模 型通过在动量方程中增加源项来模拟计算域中的多 孔介质材料对流体的流动阻力。源项由D a r c y 黏性 阻力项和惯性损失项组成 3 3 1 S 一f ∑D 。肌行， ∑C 。軎聊卵，1 j 一1 ， k ， 1J 1 u ， 2 ，3 式中D 和C 分别是黏性阻力和惯性损失系数 黼王， a 堪臻 郭放大图 矩阵。 2 模拟结果及分析 2 ．1 气泡流动分布的研究 图1 和图2 分别为气泡的流动云图和矢量图。 豢 图1气泡的流动云图 F i g ．1 F l o wc o n t o u ro fb u b b l e s b 下部放大图 图2 气泡的流动矢量图 F i g ．2 F l o wv e c t o rd i a g r a mo fb u b b l e s 从图1 和图2 可看出，气泡仅在阳极外表面与 隔膜包围的区域内流动，靠近阳极表面附近速度较 大，到隔膜包围的阳极上方区域速度达到极大。这 说明了阳极表面生成的气泡在浮力作用下向上流动 并向阴极方向扩散，加入的隔膜阻挡了气泡向阴极 扩散，避免了与钠液接触发生二次反应的机会，也使 气泡的流动比较均匀。从图3 可看出，电解生成的 气泡在阳极外表面附近形成一个厚度从下到上递增 的动态气泡边界层，最后从阳极上方区域逸出电解 槽。这说明电解过程阳极外表面生成的气泡，在隔 膜的保护下受到其他区域的扰动较小。 2 ．2 钠液流动分布的研究 从图4 和图5 可以看出，钠液从阴极内表面生 成，主要在隔膜与阴极之间的区域向上流动，流速 也相对比较大，并从阴极上方区域离开电解槽。 说明在电解过程中，由于隔膜阻碍了钠液向阳极 方向扩散，使其主要在阴极内表面到隔膜之间向 上流动，从而避免与阳极气泡接触发生二次反应 的机会。 m∞碰∞晒砣嘏非驯勰斛引孙N引K ∽∽乏}砷箱碰船“制粥％Ⅵ孙斟引|二H⋯昕㈣㈣ ■蠢爨蕤黪鬻尊j i誊|蕤鬻糍叠■I● ∞∞乏舯赫融嘏惦船％引孙“ 万方数据 2 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 图3 气泡的浓度图 F i g ．3 C o n c e n t r a t i o nc o n t o u ro fb u b b l e s a I 部放大图 2 0 1 3 年第9 期 图4 钠液的流动云图 F i g ．4 C l o wc o n t o u ro fl i q u i ds o d i u m z 、L h F 部放大斟 图5钠液的流动矢量图 F i g ．5 F l o wv e c t o rd i a g r a mo fl i q u i ds o d i u m 从图6 可看出，阴极内表面的钠液分布较少，电 解趋于稳定后会形成一个很薄的动态钠液层，说明 钠液上浮对熔盐循环流动的作用很小。 2 ．3 熔盐电解质流动的研究 图7 为熔盐流动的矢量图。 从图7 可看出，电解质的循环流动主要是在阳 极与隔膜之间的区域进行，少部分是在隔膜与阴极 之间的区域进行。电解质在阳极与隔膜之间和隔膜 与阴极之间的区域内向上流动，流速较大．且在前者 区域比在后者的大。这间接证明了气泡是熔盐循环 流动的主要动力。而电解质在阴阳极上方区域回流 过程中产生的涡流非常小。这说明了电解过程中， 阴阳极之间存在的隔膜能促进电解质的循环流动， 提高电解效率。 图6钠液浓度云图局部放大 F i g ．6 P a r t i a le n l a r g e m e n to fc o n c e n t r a t i o n c o n t o u ro fb u b b l e s Ⅲ矾斜引埘牺驼㈨％勉∞孙盟m m⋯㈨㈣㈨ ■熊骥黔燃燃燃黎辫㈣滋麟隧．● z L ㈤％吣踮㈣焉Ⅲ晡∞萌硼辐㈨％㈨西Ⅲ∞㈤m川 囊蕊鬻鬻。。、 黪麓隘■● 甜川甜斜川聃能勰％耻凹勰越mm⋯㈨㈣㈩-爨辩糍燃鬟蘩搿∞。、篷鋈曝●● 舛矾科引蜷蛎驼㈣％驼凹船盟旧m z 上 b 阱m ．．瓣黪．鬟鬟鬻≯i浚鍪_●● 蘩麟麟㈣麟豢邃激麟簟■ 万方数据 2 0 1 3 年第9 期 聪；恤 。’ 12 7 l l2 5 J2 4 ．2 2 { 2 I ll U 剽i v ￡，。 { ll 猷| | | 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．C 1 1 a I 部放大图 藓昆 图7 熔盐的流动矢量图 F i g ．7M e l tf l o wv e c t o rd i a g r a m 图8 为熔盐在不同高度的流动曲线图。 0 ．2 3 f 2 I ， E 1 8 ≮ 言 11 5 面 晋 11 3 三 j1 1 1 I l 警 三 1 8 j i ㈩j 面 1 { 2 9 b 下部放大图 图8 模型坐标 a 和熔盐在不同高度的流动曲线图 b F i g ．8M o d e lc o o r d i n a t e s a a n dm e l tf l o wd i a g r a ma td i f f e r e n th e i g h t b 从图8 可知，熔盐电解质在阴阳极之间流动的 速度较大，在阳极外表面附近的速度最大。这说明 气泡生成量大，气泡主要聚集在阳极外表面到隔膜 的区域，是熔盐电解质循环流动的主要动力，而钠液 的生成量小，影响不明显，熔盐在阳极外表面的流动 速度是自下而上递增的。 3结论 1 利用C F D 软件建立相应的数学模型，首次模 拟了隔膜加入制钠电解槽后的流场，相对准确地得 到了其内部的流场分布图，可以为制钠电解槽的优 化改良提供理论依据。 2 制钠电解槽内加入的隔膜阻隔了气泡和钠液 在上浮过程的接触，避免了发生二次反应，促进了熔 盐电解的循环流动，改善了流场，有利于电解的进 行，有助于提高电解效率。 参考文献 [ 1 ] 自福易，温树荣．盐法制钠新技术[ J ] ．内蒙古石油化 工，1 9 9 7 ，2 3 2 8 1 3 ． [ 2 ] 伍永福，李署阳，郎景丽，等．熔盐制钠电解槽电场的数 值模拟[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 i 1 2 6 2 9 ． [ 3 ] 伍永福，刘中兴，任永峰，等．四阳极高效节能制钠电解 槽电场的仿真模拟[ J ] ．内蒙古科技大学学报，2 0 0 8 ，2 7 1 9 0 一9 3 ． [ 4 ] 贾瑞博，张惠，刘中兴，等．4 0k A 钠电解槽三维磁场模 拟研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 5 2 1 2 3 ． [ 5 ] 刘宇新，刘中兴，杨立军．稀土电解槽气液两相流动数值 模拟[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 0 2 7 3 0 ． E 6 ] 李茂，周孑民，王长宏．3 0 0k A 铝电解槽电、磁、流多物 理场耦合仿真[ J ] ．过程工程学报，2 0 0 7 ，7 2 3 5 4 3 5 9 ． 万方数据 3 0 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 3 年第9 期 E 7 3 刘中兴，曹锋．钕电解槽阳极气泡的数值模拟[ J ] ．有色 金属 冶炼部分 ，2 0 0 4 6 3 5 3 7 ． [ 8 3 刘宇新，刘中兴，杨立军，稀土电解槽气液两相流动数值 模拟E J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 0 2 7 3 0 ． [ 9 ] 冯乃祥，孙阳，刘刚．铝电解槽热场、磁场和流场及其数 值计算[ M ] ．沈阳东北大学出版社，2 0 0 1 ． [ 1 0 ] 刘宇新．稀土电解槽气液两相流动对电解过程的影响 研究[ D ] ．内蒙古包头内蒙古科技大学，2 0 1 0 ． [ 1 1 ] 刘中兴，张惠，伍永福，等．4 0k A 制钠电解槽流场的模 拟研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 9 2 4 2 7 ． [ 1 2 ] L I UZ h o n g x i n g ，W A N GL i a n g l i a n g ，w UY o n g f u ， e ta 1 ．3 DS i m u l a t i o n so fe l e c t r i cf i e l do n4 0k As o d i u m e l e c t r o l y s i sc e l l [ J ] ．E n e r g yP r o c e d i a ，2 0 1 2 ，1 4 4 1 8 4 2 3 ． [ 1 3 ] 刘中兴，齐素慈．3k A 钕电解槽流场的数值模拟[ J ] ． 稀有金属材料与工程，2 0 0 7 ，3 6 2 1 9 4 1 9 6 ． [ 1 4 ] V o g tH ，B a l z e rRJ ．T h eb u b b l ec o v e r a g eo fg a s e v o l v i n ge l e c t r o d e si ns t a g n a n te l e c t r o l y t e s [ J ] ．E l e c t r o c h e m i c aA c t a ，2 0 0 5 ，5 0 2 0 7 3 2 0 7 9 ． r 1 5 ] M a n d i nP h ，A i tA i s s aA ，R o u s t a nH ，e ta l 。T w o p h a s ee l e c t r o l y s i sp r o c e s s F r o mt h eb u b b l et ot h ee l e c - t r o c h e m i c a lc e l lp r o p e r t i e s [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n g a n dP r o c e s s i n g ，2 0 0 8 ，4 7 1 9 2 6 1 9 3 2 ． [ 1 6 - 1S p i c l r aP ，D i a sMM ．G a s l i q u i df l o wi na2 DC o l u m n C o m p a r i s o nb e t w e e nE x p e r i m e t a lD a t ea n dC F DM o d e l i n g E J ] ．C h e m ．E n g ．S c i ，2 0 0 1 ，5 6 6 3 6 7 6 3 8 3 ． [ 1 7 ] 李亨，张锡文，何枫．论多孑L 介质中流体流动问题的数 值模拟方法[ J ] ．石油大学学报自然科学版，2 0 0 0 ，2 4 5 1 1 1 - 1 1 7 ． [ 1 8 ] A n t o h eBV ，L a g eJI 。．AG e n e r a lT w o E q u a t i o nM a c r o s c o p i cT u r b u l e n c eM o d e lf o rI n c o m p r e s s i b l eF l o wi n P o r o u sM e d i a [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH e a ta n d M a s sT r a n s f e r ，1 9 9 7 ，4 0 3 0 1 3 - 3 0 2 4 ． [ 1 9 ] 张桢．稀土电解槽流场数值模拟研究及熔盐导热系数 计算[ D ] ．内蒙古包头内蒙古科技大学，2 0 1 1 ． [ 2 0 ] 东明，解茂昭．多孔介质燃烧室内湍流气液两相流的数 值研究[ J ] ．工程热物理学报，2 0 0 3 ，3 0 6 1 0 7 1 1 0 7 4 ． [ 2 1 ] 马坤．多孔介质中湍流流动的数值模拟[ D ] ．辽宁大 连大连理工大学，2 0 0 9 ． 上接第2 5 页 参考文献 E l i 孙培梅，童军武，徐红艳，等．从粉煤灰中提取氧化铝熟 料溶出过程工艺研究[ J ] 。中南大学学报自然科学版， 2 0 1 0 ，4 1 5 1 6 9 8 ～1 7 0 2 ． [ 2 ] 唐福军 毕红梅，高金玲，等．粉煤灰的资源化利用与研 究现状[ J ] ．黑龙江八一农垦大学学报，2 0 0 6 ，1 8 6 7 6 7 9 ． [ 3 ] 施善友，程建萍．无机高分子净水剂发展评述[ J ] ．化学 教育，2 0 0 3 ，2 4 1 0 4 - 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