稀土电解槽电解效率优化数值模拟.pdf

。4 2 。 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 5 年第1 2 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 5 。1 2 。0 1 1 稀土电解槽电解效率优化数值模拟 伍永福1 ，官卜瑞1 ，刘中兴1 ，鞠阳1 ’2 ，董云芳1 ，张雪娇1 1 ．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 ； 2 ．北京神雾环境能源科技集团股份有限公司，北京1 0 2 2 0 0 摘要建立了考虑阳极表面气体存在的稀土电解槽流场～电场双向耦合模型，根据阳极气体作用下的电 场分布情况来调节阳极下半部倾角，从而使电场分布相对平衡。结果表明，电场受阳极气体影响呈斜型 分布，调节阳极下半部倾角为3 。～6 。，阳极下端电压降主要区域向坩埚一侧偏移，当倾角达到5 。时，槽体 内部电场分布相对均匀，有效改善了电解效率。 关键词稀土电解槽；流场电场耦合；阳极倾角；优化 中图分类号T F 8 4 5文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 f 2 0 1 5 1 2 - 0 0 4 2 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fR a r eE a r t hE l e c t r o l y t i cC e l lE l e c t r o l y s i s E f f i c i e n c yO p t i m i z a t i o n W UY o n g f u l ，G U A NB o r u i l ，L I UZ h o n g x i n 9 1 ，J UY a n 9 1 ”，D O N GY u n f a n 9 1 ，Z H A N GX u e j i a 0 1 1 ．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 l ，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 dT 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 ； 2 ．B e i j i n gS h e n w uE n v i r o n m e n t E n e r g yT e c h n o l o g yC o r p ．B e i j i n g1 0 2 2 0 0 ．C h i n a A b s t r a c t F l o wf i e l da n de l e c t r i cf i e l dt w o w a yc o u p l i n gm o d e lo na n o d es u r f a c ew a se s t a b l i s h e dw i t hg a s e x i s t i n gi nr a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l li n t oc o n s i d e r a t i o n ．A n o d el o w e rt i l ta n g l ew a sa d j u s t e dt ob a l a n c e e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o nb a s e do nd i s t r i b u t i o no fe l e c t r i cf i e l du n d e ra c t i o no fa n o d eg a s 。T h er e s u l t ss h o w t h a te l e c t r i cf i e l dw a su n d e ro b l i q u ed i s t r i b u t i o na f f e c t e db ya n o d eg a s ．T h ep r i m a r ya r e ao fv o l t a g ed r o po n a n o d eb o t t o ms h i f t st Oc r u c i b l es i d ew i t ha n o d el o w e ra n g l ea d j u s t e dt o3 。～6 。．E l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni s r e l a t i v e l yu n i f o r mi nr a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l ta n de l e c t r o l y s i se f f i c i e n c yi se f f e c t i v e l yi m p r o v e dw i t ha n o d e l o w e ra n g l eo f5 。． K e yw o r d s r a r ee a r t he l e c t r o l y z e r ；f l o wf i e l d e l e c t r i cf i e l dc o u p l i n g ；a n o d et i l ta n g l e ；o p t i m i z a t i o n 近年来，我国稀土冶金不论是从生产工艺上还 是流程方面都有着巨大的进步，为提高稀土金属产 量和电解效率、减少阳极材料损耗、降低成本也成了 研究的重点方向[ 1 ] 。稀土电解槽阳极表面的化学反 应产生的气体是作为稀土电解槽槽体内部熔盐运动 的主要驱动力12 - 3 ] ，由于气体存在于阳极区域附近， 阳极气体在阳极区域上升，其气体形成的气层厚度 因阳极高度不同而变化，因此阳极区域不同高度下 的气液混合相电阻因阳极气体气含率不同也发生变 化，进而影响了槽体内部的电场分布情况[ 4 ] 。本研 究考虑阳极气体对电场影响建立了流场一电场耦合 模型，并分析电场的分布情况，通过调节阳极的倾斜 收稿日期2 0 1 5 - 0 6 0 4 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 6 4 0 2 5 ；内蒙古自然科学基金资助项目 2 0 1 1 M S 0 7 0 3 作者简介伍永福 1 9 7 4 ，男，湖南祁阳人，副教授． 万方数据 2 0 1 5 年第1 2 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 4 3 角度，来改变槽体内部的电场分布情况，并获得能够 使电解稳定的最佳的倾斜位置，从而达到改善电解 效率，节省阳极材料消耗不一的问题。 国内关于稀土电解槽的数值模拟比较多- 。] ，刘 中兴等通过建立稀土电解槽槽型结构并针对其结构 模拟了其电场分布，发现当电位差随着电极插入深 度的增大而增大，如果电极插入过深，则会对电解 过程造成严重的影响。伍永福等针对稀土电解槽 内部的温度场进行了数值模拟，发现槽体内部金 属收集器区域内部温度高于上部，为稀土电解槽 电解节能的进一步研究提供了数据支持∽1 。本文 在前人研究基础上建立了流场电场耦合模型[ 9 j ， 通过调节阳极下半部倾斜角度来改善稀土电解槽 的电解效率。 2 ．2 阳极气速的定义 本次阳极气速定义通过U D F 程序加载至阳极 区域表面，其目的是还原更真实的气体生成初速度 情况，其气速计算公式如下 水T q 一4 F P 9 式中，q 为气体生成速率 m ／s ；R 为通用气体 常数，8 ．3 1 4J ／ m o l K ；丁为绝对温度 K ；i 为阳 极电流密度 A ／m 2 ，基于A N S Y S 软件加载电流于 石墨阳极获得；F 为法拉第常数，9 64 8 7C ／t o o l ；P 为 大气压力，1 0 13 2 5P a 。 经计算后，当阳极高度分别为2 2 0 、2 4 7 、2 7 2 、 3 0 4 、3 3 7 、3 7 0 、3 9 5m i t t 时，气体初速度分别为3 ．5 0 、 3 ．5 4 、3 ．5 6 、3 ．5 6 、3 ．5 7 、3 ．5 9 、3 ．7 0m m ／s 。 1 模型的建立 3模拟结果与分析 1 ．1 稀土电解槽物理模型 本次研究的电解槽槽体∞1 呈现对称结构，以钨 阴极为对称中心的两侧槽体内场的分布一致，所以 在模型建立时取其一半结构进行建模。 计算所需的主要尺寸 m m 电解槽内半径 2 0 0 、阳极筒内半径1 0 0 、阳极简外半径1 5 0 、阴极半 径2 5 、电解槽深度3 9 5 。电解主要参数工作电压 1 0V 、工作电流30 0 0A 、电流效率7 5 ％、电解温度 10 5 0 ℃。电解质组成N d F 。一L i F N d 。O 。。 1 ．2 几点假设 阳极生成气体尺寸均一；忽略气泡间相互影响； 阳极壁面处以无滑移边界处理；不考虑气泡上浮过 程中的合并和破碎。 1 ．3 计算的边界条件 阳极气体初速度通过F L U E N T 软件中U D F 程序加载进入；以阳极高度3 9 5m m 处为标准大气 压强；阳极上端3 9 5m m 液面处为压力出口。 1 ．4 控制方程 根据已有文献∽1 1 j ，本文的数值计算中采用的 控制方程为动量方程、连续方程、是一￡方程以及电 场方程。 2模拟方法 2 ．1 模型的建立 该流场电场模型建立在考虑阳极表面区域生 成气体会对电场影响的基础上，从而实现通过气体 气含率与气液混合相电阻的变化关系，通过得到的 电势分布情况来实现流场与电场的数据交换。 图1 为稀土电解槽流场云图，由图1 可以看出， 在阳极表面因为电解反应会生成气体，气体受槽体 内熔盐黏度影响会在阳极表面缓慢生成，并且受浮 力影响气体会沿着阳极表面缓慢加速并上升，在上 升过程中受到熔盐黏性及浮力影响，大部分气体主 要汇聚于阳极表面，并形成动态气层，该处区域为气 液混合相区域，气体上升后在阳极上端出口处溢出， 气层的厚度随着阳极高度增高而变厚。图2 为基于 耦合情况下的电场分布云图。 图l 流场云图 F i g ．1 A n o d eg a sv e l o c i t yc o n t o u r 阳极附近区域的电场分布与倒置的阳极表面气 体动态气层分布形态极为相近。阳极上端的气体汇 合较为充分，扰动较为强烈，其气液混合相中的气相 所占比例也比较大。其阳极上方的气液混合相电阻 要比阳极底端位置的大很多。阳极上方气液混合相 较大，因此槽体内部电压降较快的区域应该集中于 阳极上端区域，而阳极下端的气含率较小，该区域气 嘱一 鳓翻融酊们瞰帆鲫叭跎州撕船潍m鲁协挑珊星}m差| 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 5 年第1 2 期 图2电场云图 F i g ．2 E l e c t r i cf i e l dc o n t o u r 液混合相电阻变化并没有阳极上端区域那么明显， 因此阳极下端的电压降并没有阳极上端那么快速， 但是由于从阳极上端段到下端区域阳极气体气含率 的变化关系导致在距离阳极相同距离处，随着阳极 高度升高，该区域的气液混合相电导率随着阳极气 体气含率增大而减小，气液} 昆合相电阻随着阳极高 度增高而增大，也就是说上述区域的电压降变化速 率随着阳极高度增加而增大。由于这种变化的关系 导致了稀土电解槽槽体内部电场的分布不均匀，阳 极上部的电压降变化快于下部，因此在阳极附近区 域的电场整体呈一种斜型的分布。不同阳极下半部 倾角时的电场分布云图如图3 所示。 “ ．{ 。； 1 1 1 c j 。 d 6 。 图3 不同阳极下半部倾角时的电场分布云图 F i g ．3 E l e c t r i cf i e l dc o n t o u r su n d e rd i f f e r e n ta n o d el o w e ra n g l e 从图3 可以看出，当阳极下半部倾角为3 。与4 。 时，槽体内部电场发生偏斜，阳极下部电压降区域逐 渐向右侧偏移，当阳极下半部倾角达到5 。时，槽体 内部电场分布较为均匀，阳极上下部电压降分布区 相对统一，已经不呈斜型分布，有利于槽体电解的稳 定，并且会减少阳极上下部区域的温度差，对于阳极 上部材料消耗过快的问题能够获得一定的改善。而 由于其倾角度数并不是很大，因此对于阳极气体的 溢出并不会造成较大的影响，而阳极下半部倾角达 到6 。时，槽体内部电场由于阳极倾角较大，阳极区 域气含率分布差异发生较大变化，电场分布受到影 响，电压降较大区域再次向阴极区偏移．这样的电场 分布已经不利于电解的稳定进行，使得电解效率受 到影响，因此通过对于阳极下部半倾角的数值模拟 发现，当阳极下部半倾角为5 。时，槽体内部电场分 布相对均匀，有利于提高阳极材料利用率。 下转第5 5 页 l爨一黪瓣蘩。麓霹■ I睡蘩n纛黪鬻麓攀■ I 髓器g 。麟蘩蒸黼雌_- 万方数据 2 0 1 5 年第1 2 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 5 占总物料5 5 ％的胶凝材料。证明了镍渣提铁及同 时制备胶凝组分技术的可行性。 3 连续升温及分段升温试验获得还原焙烧产物 形貌不同，前者为球状包裹物，后者为不规则条状 物，后者的形态便于后续工艺破碎选分。 参考文献 [ 1 ] 王玉芳．回收镍浸出渣中有价金属的工艺研究及应用 [ J ] ．铜业工程，2 0 1 0 2 4 4 4 6 ，3 3 ． [ 2 ] 董海刚，郭宇峰，姜涛，等．从含铁镍冶金渣中回收磁铁 矿的研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 8 ，2 8 1 3 7 3 9 ． [ 3 ] 刘宏雄．关于镍渣提铁生产的高温热能利用的探讨 [ J ] ．能源工程，2 0 0 7 ，2 6 6 5 4 5 6 ． [ 4 ] 倪文，马明生，王亚利，等．熔融还原法镍渣炼铁的热力 学与动力学[ J ] ．北京科技大学学报，2 0 0 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o c e s s F r o mt h eb u b b l et ot h e e 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 f J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n g 8 LP r o c e s s i n g P r o c e s sI n t e n s i f i c a t i o n ，2 0 0 8 ，4 7 11 1 9 2 6 1 9 3 2 ． [ 9 ] 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 g e l e c t r o d e si n s 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 i m i c a A c t a ，2 0 0 5 ，5 0 2 0 7 3 2 0 7 9 ． [ 1 0 ] 任志安，郝点，谢红杰．几种湍流模型及其在F L U E N T 中的应用E J ] ．化工装备技术，2 0 0 9 ，3 0 2 3 8 4 0 ． [ 1 1 ] 陈延禧，郑平．电化学反应器中气一液混合系有效电导 率的研究[ J ] ．氯碱工业，1 9 9 5 ，3 1 2 1 8 2 0 ． 万方数据