镁电解槽内流动的冷模实验研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年1 期 2 9 镁电解槽内流动的冷模实验研究 孙泽，张鹤楠，李冰，路贵民，于建国 华东理工大学资源 盐湖 过程工程教育部工程研究中心，上海2 0 0 2 3 7 摘要室温下，在有机玻璃容器中以水、硅油和氩气建立冷模实验体系，研究高温下镁电解槽内氯化物熔 盐、液镁及高温氯气的流动特性。按照相似性准则，有机玻璃容器的尺寸设计为工业电解槽的1 ／5 ；根 据氯气析出速度调节氨气流速；根据动力学黏度以及密度关系 所一l D 2 ／ p I D 2 选择硅油和水模拟高 温熔盐和液态镁。在冷模实验中，详细考察了电解槽的几何参数和物性对电流效率以及镁收集率的影 响，发现随着阴极高度的增大，电流效率降低；镁收集率随气泡尺寸变化不大，但随着气体流速增大而增 大。 关键词镁电解；冷模模型；相似准则；电流效率 中图分类号T F 8 2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 0 0 1 - - 0 0 2 9 0 4 M o d e lE x p e r i m e n tS t u d yo nF l o wF i e l do fM a g n e s i u mE l e c t r o l y s e r S U NZ e ，Z H A N GH e - n a n ，L IB i n g ，L UG u i m i n ，Y UJ i a n g u o E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fS a l tL a k eR e s o u r c e sP r o c e s sE n g i n e e r i n g ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ， E a s tC h i n 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 ．S h a n g h a i2 0 0 2 3 7 ，C h i n a A b s t r a c t Ac o l dm o d e le x p e r i m e n t ，c o n s i s t i n go fw a t e r ，s i l i c o no i la n da r g o ns y s t e mi no r g a n i cg l a s sv e s s e l w a sb u i l tt Os i m u l a t et h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fc h l o r i d em e l t s ，l i q u i dm a g n e s i u ma n dc h l o r i n eg a sa th i g h t e m p e r a t u r e ．I nt e r m so fs i m i l a r i t yc r i t e r i a ，t h eo r g a n i cg l a s sv e s s e ld i m e n s i o nw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt o 1 5r a t i ot Oa no r i g i n a lm o d e l ，t h ea r g o ng a sv e l o c i t yw a sa d ju s t e da c c o r d i n gt ot h ec h l o r i n er e l e a s er a t e ． T h ed e n s i t yr e l a t i o n s h i po fs i l i c o no i la n dw a t e r p l p 2 ／ e l p z w e r em a i n t a i n e dt h ec l o s ea st h a to fc h l o r i d em e l t sa n dm a g n e s i u m ．A st h ec a t h o d eh e i g h ti n c r e a s i n g ，t h ee f f i c i e n c yd e c r e a s e d ．T h ee f f i c i e n c yd o e s n ’tc h a n g ew i t hd i f f e r e n tb u b b l es i z e ，h o w e v e r ，i ti n c r e a s e sw i t ht h ef l o wr a t ei n c r e a s i n g ． K e y w o r d s M a g n e s i u me l e c t r o l y s i s ；c o l dm o d e l ；s i m i l a r i t yc r i t e r i a ；c u r r e n te f f i c i e n c y 相比皮江法，电解熔盐氯化镁生产金属镁的方 法具有环境友好，可以规模化生产，以及可以不问歇 生产等特点[ 1 ] 。在电解镁工业中，研究者一直追求 提高电流效率，降低总的能耗，以降低生产金属镁的 成本。 镁电解槽镁的收集率在很大程度决定了电流效 率的高低，而液镁的收集又和阴极产生的液镁、电解 质及阳极产生的氯气所引起的两相流动紧密相关。 两相流动的影响因素包括电解槽几何结构和操作 参数[ 2 ] 。通过优化操作参数和电解槽结构可以得到 一个合理的两相流动，从而得到较高的镁收集率。 但是镁电解槽通常在7 0 0 ℃密封条件下运行，根本 无法了解运行中镁电解槽内的两相流动的情况。 在镁电解槽研究中，由于涉及商业秘密，相关报 道比较少，只有中南大学的谢中[ 3 ] 等采用石英透明 电解槽研究了K C l - N a C l - M g C l 2 三元系和K C l - N a C l 一C a C l 2 - M g C l 2 四元系，对M g C l 2 电解过程中 阳极气泡析出的物理过程和氯气喷射角进行了观测 基金项目国家科技支撑计划课题 2 0 0 6 B A E 0 4 8 0 6 I 国家自然科学基金资助项目 5 0 8 7 4 0 4 8 作者简介孙泽 1 9 8 0 - - ，男，内蒙古乌兰察布人，博士研究生． 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年1 期 和水力模拟。 铝电解槽内部熔融盐流动现象的研究相对成 熟，一些经验和方法可以为无隔板镁电解槽的研究 提供重要的指导。在铝电解槽研究方面，许多学者 都采用冷模实验的方法。F o r t i n [ 4 3 等人建立了1 5 0 k A 预焙铝电解槽的冷模模型，研究了气泡的行为， 以及电流密度、极距、电解质速率对气体层形状、气 泡速度、气泡释放频率的影响。J o h n 和Z o r i c E 5 - 6 3 用 室温水作电解质，用树脂玻璃槽作为模型槽，用底部 带筛板的铝盒或钢盒来模拟阳极，通过筛板通入压 缩空气来模拟阳极气泡的产生，进行铝电解槽的冷 模实验。 本文基于几何相似、动力相似、运动相似等相似 准则Ⅲ建立了冷态模型，通过冷态模型来模拟研究 镁电解槽内部的流动情况，对于模型中的流动情况 通过激光粒子测速仪P I V 嘲来考察。 1冷模实验 I ．1 冷模实验的原理及模型的建立 1 ．1 ．1 几何相似 依据几何相似原理，在本实验中按照1 5 的比 例建立一个和国内某电解镁厂结构相似的冷态模 型，选取了一组电极，其具体尺寸见表1 。 表1实际电解槽和冷模模型尺寸对比 T a b l e1S i z ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec e l la n dp h y s i c a lm o d e l 1 ．1 ．2 动力相似本文中，选用相近的密度差值、相近的运动界面张力 动力相似准则要求在镁电解槽和冷模模型相对和相近的运动黏度作为动力相似的准则来选取模拟 应的位置处，引起流动的动力值的比值保持一致。相，模拟相具体参数见表2 。 表2 实际电解槽和冷模模型参数的对比‰’3 T a b l e2P a r a m e t e r sb e t w e e nt h ec e l la n dp h y s i c a lm o d e l 项目 7 0 0 C 电解槽 2 0 “ C 冷态模型 液态镁电解质氯气硅油水氩气 密度／ g c m - 3 1 ．5 81 ．7 0 ．0 0 0 9 0 30 ．9 2 70 ．9 9 80 ．0 0 1 6 运动粘度／c s t 0 ．7 1 513 40 ．7 1 51 1 3 ．3 表面张力／ m N m 一3 5 4 7 1 0 8 2 27 2 ．8 8一 运动界面张力T ／f p l p z 3 2 ．9 3 7 ．7 6一 密度差比 P l p 2 ／ p 1 P 2 0 ．0 3 6 60．0368 1 ．1 ．3 运动相似 运动相似准则要求在冷模模型和实际电解槽的 对应位置的速度比值保持一致。在物理模型中，氩 气速度控制和实际电解槽中阳极在0 ．2 8 6A ／c m 2 的电流密度下释放出的氯气的体积流速相等，控制 气体流量来模拟电流密度的大小。冷模模型中的初 始气体摩尔流速可以按照下面的公式计算 V p 如o l ／S 1 ／ 螋型号蔫铲上幽 1 式中D 为电极与槽底的距离。 1 ．2 实验操作条件 电解槽内部结构的因素如极距 A C D 、导镁槽 的倾角 e 、电极的下插深度 D 和集镁室的宽度 W 对油相的收率 币 有很大影响，油相的收率可 以反映镁的收率。对这些因素的研究可以得到金属 镁的收率和电解槽结构之间的定性关系。 2 实验及分析 2 ．1 实验结果 在相同时间内由蠕动泵将硅油通过阴极板上大 量细小的孔打入冷模电解槽内，通过在集镁室回收 硅油得到油的回收率。在一系列的回归实验后，通 过参差分析，各个参数对油相的回收率的显著性影 响排序如下0 ，A C D ，D ，最后为W 。依据实验数 据，在A C D 6 0m m 、D 2 8m m 、W 1 2 7m m 、0 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年1 期 3 l 1 2 。 的操作条件下可以得到最大油相的回收率。 油相的回收率和电解槽结构尺寸之间的关系可以由 下面的方程式来表示。这里是首次通过冷模实验得 到电流效率和上面各因素之间的方程关系式。 圣 一7 5 ．6 1 ．4 2 A C D 一0 ．0 5 1 D 1 ．3 8 5 W 一0 ．3 7 0 0 ．0 0 6 A C D XD 一0 ．0 1 7 A C D X 口一0 ．0 0 3D W 0 ．0 2 8W 0 0 ．0 1 3 A C D 2 - - 0 ．0 0 7W 2 一O ．1 6 2 在最大油回收率的操作条件附近，固定其他因 素不变，考察每一个因素对油回收率的影响。 由图1 可以看到油相的回收率随着导镁槽倾角 的增加而增加，但是当导镁槽倾角达到1 2o 时，随 着倾角的增加，油相的回收率维持在最高值不再增 加。 9 5 9 0 誉 鲁 鬻8 5 擎 叵 8 0 1 01 21 4 1 6 J 8 2 0 倾角0 ／ o 图1回收率9 与导镁槽0 关系 F i g ．1T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n0a n d9 图2 显示了电极下插深度对油的回收率的影 响，可以看到当电极距槽底2 8m m 时，随着距槽底 距离的减少，油的回收率增加，但是当电极距槽底高 于2 8m m 时，油相的回收率基本不再变化。在 A C D 6 0m m 、D 2 8m m 、W 一1 2 7m m 、口 1 2 。 的操作条件下获得最大油回收率9 1 ．3 4 ％。这一现 象是因为随着电极下插深度的增加，同样的电流密 图2回收率中与电极下插深度D 的关系 F i g ．2T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nDa n d9 度下，会产生更多的氯气。冷模实验中氩气的量也 相应的增加，加剧了水相的循环速度，将更多的油带 到集镁室中，从而提高了油相的回收率。 图3 可以看出在最佳集镁室宽度的附近范围 内，集镁室宽度的小尺度变化对油的回收率的变化 影响不大。由图4 可以看出在最佳极距附近范围 内，极距的小尺度变化对油的回收率的影响不大。 邃 粤 爵 擎 叵 集镁室宽W ／r a m 图3回收率9 与集镁室宽w 关系 F i g ．3 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nWa n d9 承 鲁 静 擎 凰 图4回收率甲与极距A C D 关系 F i g ．4 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nA C Da n d9 2 ．2 对气体喷射角度的考察 在工业镁电解槽中，从阳极析出的氯气会以一 定的角度溢出。对于这～角度，在冷模实验中也可 以进行考察。通过P I V 可以清楚的得到气体喷射 角的图象 图3 ，经测量分析所得图象可知气体喷 射角不随阳极形状的变化而变化，随着气体流量的增 加，相应在增大，但增大的角度不大，角度值见表3 。 表3 气体喷射角度值 T a b l e3V a l u eo ft h es p r a ya n g l e ／ 。 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年1 期 图5 长方形。正楔形，饲楔形阳极的气体喷射角 F i g ．5S p r a ya n g l ef o rr e c t a n g l e 。p o s i t i v ea n dn e g a t i v ed o v e t a i la n o d e 2 ．3 气泡大小与气量对油收率的影响 在镁电解槽中，阳极材料的不同，以及不同的电 解质性质会使得在阳极处析出的气体气泡直径有所 不同，不同的气泡大小可能会对电解质产生不同的 搅动效果，因此在冷模实验中，控制阳极板上的孔径 来模拟气泡的大小。孔径分别为0 ．6m m 、0 ．7I T t m 、 0 ．8m m 、0 ．9m m ，考察其在不同气速下对油收率的 影响。结果见图6 。 9 0 8 8 8 6 将 娶8 4 圄 8 2 ∞ 7 8 468l O1 21 41 6 气量／ L m i l l - 1 图6 气泡大小和气量与收率的关系 F i g ．6 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i a m e t e ro f b u b b l e sa n d9 由图6 可以看出不同的气泡大小对油相的收率 影响很小，而当流量增加时会增大油相的收率，这是 因为大量的气体加剧了水的循环流动，从而将更多 的油带到了集镁室中，进而增大了油的收率。 3结论 1 通过方差分析，所考察的四个因素对油相回 收率的影响排序依次是0 、A C D 、D 、W ； 2 在冷漠实验中最佳操作条件下A C D 6 0 m m 、D 2 8r n m 、W 一1 2 7m m 、口 1 2 。 ，实验获 得的最大的油相回收率为9 1 ．3 4 ％； 3 阳极气体的喷射角维持在9 。 左右，不随 阳极形状和气体流速的变化而改变； 4 不同的气泡大小对油相的回收率影响很小， 而当流量增加时会增大油相的回收率。 参考文献 [ 1 ] S h u q i nK e ．R e v i e w sa n dp r o s p e c t i o no fC h i n a sm a g n e s i a mi n d u s t r y [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 6 1 3 7 4 1 ． [ 2 ] 张永健．镁电解生产工艺学[ M ] ．长沙中南大学出版 社，2 0 0 6 3 4 2 3 8 8 ． [ 3 ] 谢中，张永健．镁电解过程中氯气喷射角及流体流动的 水力模拟[ J ] ．中南工业大学学报，1 9 9 7 ，2 8 5 4 3 3 4 3 6 ． [ 4 ] F o r t i nS ，G e r h a r d tM ，G e s i n gAJ ．P h y s i c a lm o d e l i n go f b u b b l eb e h a v i o ra n dg a sr e l e a s ef r o ma l u m i n u mr e d u c t i o n c e l la n o d e s [ J ] ．L i g h tm e t a l s ，1 9 8 4 7 2 1 7 4 1 ． [ 5 ] J o h njj ．P h y s i c a lm o d e ls t u d i e so fg a w i n d u c e df l o w si n a l u m i n u mc e l l s [ J ] ．J O M ．1 9 9 4 ，1 5 ／1 6 1 8 2 0 ． [ 6 ] Z o r i cJ ，S ol h e i mA ．O ng a sb u b b ei ni n d y s t r i a la l u m i m u mc e l l sw i t hp r e b a k e da n o d e sa n dt h e i ri n f l g e n c eo n t h e c u r r e n td i s t r i b u t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fA p p l i e dE l e c t r o c h e m i s t r y ，2 0 0 0 ，3 0 7 8 7 7 9 4 ． [ 7 ] J u l i a nS z e k e l y ，J a m e sWE v a n s ，B r i m a c o m b eJK ．T h e m a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lm o d e l i n go fp r i m a r ym e t a l s p r o c e s s i n go p e r a t i o n [ M ] ．U n i t e dS t a t e s ，J O H NW I L E Y ＆S O N S ，1 9 8 7 6 9 9 9 ． [ 8 ] D a n t e cD y n a m i c sA ／S ．F l o wM a n a g e rs o f t w a r ea n dI n t r o d u c t i o nt OP L VI n s t r u m e n t a t i o n [ M ] ．2 0 0 2 ． [ 9 ] 刘光启，马连湘，刘杰．化学化工物性数据手册无机卷 [ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 2 ． 万方数据