阳极壁面向下倾斜对气泡影响的研究.pdf

2 0 1 5 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 9 d a i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 6 ．0 1 5 阳极壁面向下倾斜对气泡影响的研究 刘中兴，韩文帅，伍永福，董云芳，鞠阳 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 摘要以3k A 钕电解槽为研究对象、相似理论为基础，建立了稀土电解过程的水模型物理试验平台，分 别对几种不同阳极壁面倾斜角度工况下单气泡的生长过程进行试验，分析了电解过程中气泡脱离时间、 气泡直径、滑移距离等参数的变化情况。结果表明，阳极壁面倾斜角度越大，气泡脱离时最大直径越大， 脱离所需时间和滑移距离越大，越易造成阳极效应。 关键词3k A 稀土电解槽；相似理论；水模型；阳极壁面倾斜 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 2 0 1 5 0 6 - 0 0 5 9 0 4 S t u d yo nE f f e c to fA n o d eW a l lS l o p e sD o w n w a r do nB u b b l e L I UZ h o n g x i n g ，H A NW e n s h u a i ，W UY o n g f u ，D O N GY u n f a n g ，j uY 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 ，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 ，n a o t o u0 1 4 0 1 0 ，C h i n a 节 A b s t r a c t W a t e rm o d e lp h y s i c se x p e r i m e n tp l a t f o r mo fR Ee l e c t r o l y t i cp r o c e s sw a se s t a b l i s h e db a s e do n s i m i l a r i t yt h e o r yw i t h3k An e o d y m i u me l e c t r o l y t i cc e l la st h er e s e a r c ho b j e c t ．G r o w t ho fs i n g l eb u b b l e w a si n v e s t i g a t e du n d e rd i f f e r e n ta n o d ew a l lt i l t a n g l e ．T i m eo fb u b b l ed e t a c h i n gf r o ma n o d e ，b u b b l e d i a m e t e r ，a n ds l i d i n gd i s t a n c ew e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h el a r g e ra n o d ew a l ls l o p ea n g l ei s ， t h eb i g g e rm a x i m u md i a m e t e ro fb u b b l eb r e a k i n ga w a yf r o ma n o d ei s ，t h el o n g e rt i m eb u b b l es p e n tt o d e t a c hf r o ma n o d ea n dt h el a r g e rs l i d i n gd i s t a n c ei s ．A n o d ee f f e c tt e n d st oo c c u r ． K e yw o r d s 3k Ar a r ee a r t he l e c t r o l y z e r ；s i m i l a r i t yt h e o r y ；w a t e rm o d e l ；a n o d ew a l ls l o p e s 由于熔盐电解法具有生产操作简便快捷、成本 较低、持续工作时间长等特性，已成为电解制取稀土 金属的主要方法[ 1 ‘2 ] 。对于稀土电解生产而言，熔盐 电解槽内的电解质运动对电解生产的电流效率、槽 体寿命有重要影响。影响电解质运动的因素主要是 电磁力和阳极的气泡运动，其中气泡运动又是电解 质运动的主要驱动力[ 3 。5 ] 。气泡在阳极表面生成过 程的形状变化、脱离时间等都直接影响稀土金属的 生产效率。因此研究不同工况下气泡变化对节能降 耗十分必要。 曹锋等邛] 以3k A 钕电解槽为研究对象，忽略 气泡逸出上升过程中气泡之间的破碎、融合现象，模 拟阳极气泡浓度分布情况，结果发现槽体横截面熔 盐上部表面处浓度达到了最大，纵截面方向阳极壁 面附近气泡浓度最大，整体气泡分布呈上宽下窄的 抛物线形。这种差异性必然导致阳极表面电化学反 应进程不一致，与下部相比，上部气泡浓度大且分布 范围较宽，高温熔盐对阳极的润湿差，电解质补充较 慢，而阳极下部附近气泡浓度分布宽度较上部窄且 低，反应中熔盐的润湿性明显较上部好。随电解槽 的长时间运行，这种差异必然导致阳极下部化学反 应速率较上部快，如果长时间反应就会使阳极壁面 向下倾斜一定的角度。 实际生产时钕电解槽的工作温度可达10 5 0 收稿日期2 0 1 4 1 2 - 2 8 基金项目国家自然科学基金项目资助 5 1 1 6 4 0 2 5 ；内蒙古自然科学基金项目 2 0 1 I M S 0 7 0 3 作者简介刘中兴 1 9 6 3 - ，男，河北赵县人，博士，教授． 万方数据 6 0 有色金属 c a 炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第6 期 ℃，且伴随有高腐蚀，这种工作条件使电解过程气泡 的研究变得尤其困难，甚至难以进行口] 。为研究实 际电解过程阳极壁面向下倾斜时单个气泡的行为变 化，本文以3k A 钕电解槽为研究对象、相似理论为 基础，计算相关试验参数，建立了电解过程的水模拟 物理试验平台，并用高速摄像机和I m a g eP r o P l u s 软件记录统计气泡各项数据。 1 水模型试验 1 ．1 研究对象 传统3k A 上插式稀土氧化物制钕电解槽的结 构示意图如图1 所示。 电解质 铜坩埚 稀土金属 图1 3k A 稀土氧化物电解槽示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po f3k A1 - a r ee a r t h e l e c t r o l y t i cc e l l 电解槽的尺寸参数和工艺参数[ 8 ] 如下阳极筒 内半径1 0 0m m 、阳极筒外半径1 5 0m m 、阴极半径 2 5m m 、槽深3 9 5m m ；工作电流30 0 0A 、电解温度 10 5 0 ℃、熔盐密度38 5 0k g ／m 3 。 1 ．2 试验方法 在一定的表面电流密度下，稀土电解槽内的流 动可视为黏性不可压缩稳态流动，同时可忽略表面 化学反应的影响。因此，试验系统只要保证相似理 论的几何相似、运动相似、动力相似即可，而运动过 程实际是由一定的动力驱动的，所以稀土电解槽电 解过程气泡的生成与运动的物理模拟 即水模型试 验 需要满足几何和动力相似D ] 。熔池中能够引起 高温熔盐宏观运动的主要是气泡的浮力而不是湍流 的黏性力。本试验条件下，流体流动的惯性力与浮 力比起着绝对性作用，故采用修正的F r o u d e 准数为 相似准数。在建立稀土电解槽物理模型时，模型与 原型的修正F r o u d e 准数相等是模型与原型的动力 相似的先决条件，则有 瓦而u ；P g t , 一五卷等面㈩ g Lp 肛p l D 胂g L 。 I D 拥一I D g ，，1 ⋯ 式中胁和I D 胂分别为模型中气体和实际气体 的密度 k g ／m 3 ；胁和P 肇分别为模型中液体和实际 液体的密度 k g ／m 3 ；g 为重力加速度 m ／s 2 ；L 。和 L 。分别为模型和实际稀土电解槽的孔口直径 m m ；“。和U 。分别为模型和实际稀土电解槽气泡 的逸出速度 m ／s 。 试验流程空气经空气压缩机压缩后经储气罐 安全阀、球阀、针型阀到达转子流量计，调节转子流 量计使之达到试验所需的通气量，之后气体通过三 通接头连接到U 型管压力计和气泡发生器内的长 通道，达到一定压力时从气泡发生器表面孔处逸出。 与此同时，高速摄像机迅速捕捉记录气泡的形成与 运动过程，并将数据传输到计算机中以j p g 图片的 形式保存。气泡发生器模拟实际阳极侧面开孔，在 水模型槽中竖直放置，其形状为1 5m m 3 5m m 3 0m m 的长方体。 1 ．3 参数的确定 图2 为现场石墨阳极样品的S E M 形貌。 图2石墨阳极表面子L 隙形貌 F i g ．2 M i c r o s t r u c t u r eo fs u r f a c ep o r e s o fg r a p h i t ea n o d e 经P h o t o s h o p 二值化处理，多次统计孔隙面积 占图表面积的百分比 取平均值 ，其孔隙面积占总 表面积的5 ．0 3 ％、4 ．9 8 ％，为计算方便取5 ％，即阳 极表面孔隙面积占总反应面积的5 ％。根据形核理 论，气体仅以孔隙处为核心生成长大溢出，假设阳极 表面孔均为圆形且均匀分布，可对阳极表面理论气 体溢出速度作修正口⋯。阳极表面电流密度为1 ．9 A ／c m 2 时，阳极表面气体平均生成速度经计算为 0 ．0 0 85 5m ／s ，修正后速度为0 ．1 7 1m ／s 。由电镜扫 描图片可知，实际阳极表面孔处孔径大小为1 0 0 ～ 2 0 0 扯m ，本文计算时取孔径为1 5 0 肛m 。水模型试验 中，气泡发生器上孔径取为1m m 。将各项参数带 人式 1 ，计算可得，阳极表面电流密度为1 ．9 万方数据 2 0 1 5 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 6 1 A ／c m 2 时相应的水模型中单位时间通过1m m 孔的 气体流量为1 0 ．4 1m L ／m i n 。 2 试验结果及分析 本文选取通气量为1 0 ．4 1m L ／m i n ，深度为2 5 m m ，研究o 。 即竖直壁面 、3 。、5 。、7 。、1 0 。不同阳极壁面 向下倾斜角度对气泡直径、脱离时间、滑移距离等参数 的影响，为实际钕电解槽的研究提供参考依据。图3 为不同倾斜角度工况下气泡直径随时间的变化曲线。 g { 赋 蜘 震 旷 时间／s 图3向下倾斜不同角度气泡直径变化 F i g ．3 B u b b l ed i a m e t e rv a r i a t i o nu n d e r d i f f e r e n tt i l ta n g l e s 由图3 可看出 1 同一时刻，倾斜角度较小的工况气泡直径明 显大于倾斜角度大的工况。 2 壁面倾斜程度直接影响到脱离时的气泡直 径。倾斜角度越大，气泡脱离壁面时的直径也越大。 o 。、3 。、5 。、7 。、1 0 。工况对应的最大直径分别为5 ．1 2 14 、 5 ．0 4 35 、5 ．1 3 05 、5 ．2 1 49 、5 ．2 9 87m m 。倾斜角度 越大，浮力沿倾斜方向的分力越小，垂直壁面的分力 越大，因而气泡达到更大的直径其沿壁面方向的分 力才能使其脱离，这个过程中因随倾斜角度增大的 摩擦阻力阻碍作用，气泡生长的时间与小倾斜角度 相比要长。 3 倾斜角度较低时，脱离所需时间及气泡最大 直径相差不大，如图中所示倾斜角度为3 。和5 。的气 泡直径变化曲线十分相近。 图4 为不同倾斜角度时接触面积随时间的变化 曲线。 从图4 可见 1 倾斜角度越大，脱离时接触面积越大，脱离时 间越长。倾斜角度越大，浮力沿倾斜方向的分力越 小，气泡在孔处停留的时间越长，在此过程中，气泡 图4向下倾斜不同角度接触面积随时间变化 F i g ．4C o n t a c t i n ga r e av a r i a t i o nu n d e r d i f f e r e n tt i l ta n g l e s 直径不断增大，与发生器壁面接触面积随之变大，达 到一定直径后，气泡浮力大于壁面处作用力，促使气 泡脱离壁面。图中各个曲线接触面积最大值处为气 泡开始脱离前的最后时刻。各个角度对应的接触面 积最大值分别为8 ．3 8 72 、8 ．0 8 97 、8 ．6 5 04 、8 ．8 2 34 、 9 ．1 3 67m m 2 。接触面积越大，气泡与发生器壁面 之间的连接力越大，这使气泡脱离过程更加缓慢。 2 同一时刻不同倾斜角度气泡与壁面接触面积 随时间的推移呈现先增大后减小。这是因为，向下倾 斜角度较小时浮力垂直壁面方向的分力对气泡的作 用相对较小，气泡生长过程所受影响较小，此时接触 面积在摩擦阻力作用下增大；但随着倾斜角度的增 大，浮力垂直壁面方向越来越大，对气泡长大有抑制 作用，所以气泡直径相对较小，其与壁面的接触面积 也减小。 图5 为向下倾斜不同角度时气泡脱离壁面所耗 时间和气泡滑移距离。 誓 厘 々 艇 簦 2468 倾斜角度， o 图5向下倾斜不同角度气泡脱离壁面 所耗时间和气泡滑移距离 F i g ．5D e t a t c h i n gt i m ef r o ma n o d ea n ds l i d i n g d i s t a n c eo fb u b b l e su n d e rd i f f e r e n tt i l ta n g l e s 万方数据 6 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6 期 从图5 可以看出，随着倾斜角度的增大，单个气 泡脱离发生器壁面所耗时间也同步增大，其数值分 别为0 ．0 2 8 、0 ．0 2 8 、0 ．0 3 0 、0 ．0 3 3 、0 ．0 3 8S 。气泡逸 出壁面所需的时间越长，发生与后级气泡或相邻气 泡融合的可能也就越大，从而形成面状气泡层，阻隔 工质对壁面的润湿，这对实际电解过程十分不利。 气泡脱离时间的长短直接影响到实际电解过程的电 流效率。 气泡脱离发生器壁面的过程并不是瞬时的，有 一定的间隔时间，并沿倾斜的壁面上升滑移。随着 倾斜角度的增大，气泡直径越大，浮力垂直于壁面的 分力越大，气泡与壁面之间的摩擦阻力增大，同时气 泡与壁面之间的接触面积增大也使得气泡与壁面之 间的连接力增大，气泡逸出变得更加困难，在上升过 程中气泡沿壁面的滑移距离也随倾斜角度的增大而 增大。图5 中各个倾斜角度由小到大对应的滑移距 离分别为0 ．7 4 、0 ．9 2 、1 ．1 1 、1 ．1 3 、1 ．3 1m l T l ，与竖直 壁面工况相比，滑移距离显著增大。因此实际电解 过程中应尽量减小气泡的滑移距离。 从实际电解过程中的电场角度考虑，随着阳极 壁面的倾斜角度越大，上部阳极与阴极之间的距离 越近，这势必造成电解槽上部阴极与阳极之间的熔 盐减少，电阻降低，此部分的阳极电流密度增大，表 面电化学反应加速，气泡生成速率增大，而阳极表面 气泡浓度电解槽横截面靠近阳极壁面处、纵截面靠 近高温熔盐上表面处气泡浓度最大，二者作用相叠 加极易造成阳极壁面靠近熔盐上表面部分形成一定 厚度的气泡膜，阻隔电解质的传递，气泡膜使得电阻 急剧增大，阳极表面电流随之迅速增大，加大了“阳 极效应”现象出现的可能性[ 1 1 ‘，所以从实际电解角 度来说，应尽量避免阳极壁面向下倾斜。 3结论 1 随着壁面倾斜角度的增大，气泡可达到的最 大直径增大，同一时刻倾斜角度大的工况气泡直径 小于倾斜角度的工况。 2 倾斜角度越大，各个角度所能达到的最大接 触面积值越大，浮力沿倾斜壁面方向的分力越小，气 泡彻底脱离壁面所用的时间越长。同一时刻倾斜角 度大的工况接触面积小于倾斜角度小的工况。同样 通气量下，与竖直壁面工况相比，气泡脱离所用时间 最大可达到0 ．0 3 8S ，远远大于竖直工况的0 ．0 2 8S ， 这显然不利于气泡的快速逸出。倾斜角度越大，气 泡滑移距离越长，1 0 。时滑移距离可达到1 ．3 1m i l l 。 实际电解过程中这种状况极易使气泡连成一片，阻 隔工质的传递，降低电解效率。 3 阳极壁面向下倾斜不能满足电解过程气泡快 速脱离上升的要求，脱离时间、脱离直径、滑移距离 等均与要求相悖，且靠近熔盐上表面处阳极容易产 生阳极效应。因此，实际生产过程中应设法减小或 避免阳极壁面倾斜带来的损失。 参考文献 [ 13D e p a r t m e n to fI n d u s t r y ，N a t i o n a lD e v e l o p m e n ta n dR e f o r mC o m m i s s i o n ．C h i n e s er a r ee a r t h s 一2 0 0 9 [ J ] ．R a r e E a r t hI n f o r m a t i o n ，2 0 1 0 3 4 ． E 2 - 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