稀土电解槽内电解质导热系数的计算.pdf
有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年4 期 2 3 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 1 .0 4 .0 0 7 稀土电解槽内电解质导热系数的计算 刘中兴1 ,张桢1 ,伍永福1 ,洪昌勇2 ,李曙阳3 1 .内蒙古科技大学材料与冶金学院,包头0 1 4 0 1 0 ;2 .宝钢集团上海梅山有限公司炼铁厂,南京2 1 0 0 4 1 ; 3 .呼和浩特中燃城市燃气发展有限公司,呼和浩特0 1 4 0 0 0 摘要根据混合熔盐导热系数计算原则,通过计算稀土电解槽内电解质单组分熔盐导热系数,从而预测 稀土电解槽内三元系电解质熔盐导热系数,为稀土电解槽内温度场的研究提供了一个重要物性参数。 关键词稀土电解槽;电解质熔盐;导热系数 中图分类号T G l 4 6 .4 ;T F4 5 0 .4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 4 - - 0 0 2 3 - - 0 3 C a l c u l a t i o no fE l e c t r o l y t e ’ST h e r m a lC o n d u c t i v i t y i nR a r eE a r t hE l e c t r o l y t i cC e l l L I UZ h o n g x i n 9 1 ,Z H A N GZ h e n l ,W UY o n g f u l ,H O N GC h a n g y o n 9 2 ,L IS h u - y a n 9 3 1 .S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g yC o l l e g e ,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 。C h i n a ;2 .B a o s t e e lG r o u p ,S h a n g h a iM e i s h a nI r o nC o .,L t d .,N a n j i n g2 1 0 0 4 1 ,C h i n a 3 .H o h h o tZ h o n g r a nC i t yG a sD e v e l o p m e n tC o .,L t d .,H o h h o t0 1 4 0 0 0 ,C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ec a l c u l a t i o np r i n c i p l eo ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h em i x e dm o l t e ns a l t ,t h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo ft h eo n e - c o m p o n e n tm o l t e ns a l ti nt h er a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l lw a sc a l c u l a t e d .W i t ht h e c a l c u l a t i o n ,t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft e r n a r ys y s t e mm o l t e ns a l te l e c t r o l y t ec a nb ep r e d i c t e d ,t h u sp r o v i d i n gi m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r sf o r t h er e s e a r c ho ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h er a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l l . K e yw o r d s R a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l l ;E l e c t r o l y t e sm e l t i n gs a l t ;T h e r m a lc o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n t 在稀土氟化物熔盐电解生产过程中,电解质的 温度分布是影响稀土熔盐电解的一个很重要的因 素,它直接关系到电流效率和电能消耗[ 1 ] 。而电解 质物性参数的确定是研究电解槽内温度场分布的重 要前提,特别是导热系数的确定[ z ] 。在实际生产过 程中,N d F 。- L i F N d 。0 。系电解质存在熔点高、腐蚀 性强、挥发损失较严重等特点[ 3 ] ,对其导热系数的实 验测量存在很多困难,前人研究较少。本文根据混 合熔盐导热系数计算原则,通过计算单组分纯物质 电解质熔盐的导热系数,从而确定三元系电解质熔 盐的导热系数。 1 单组分纯物质电解质熔盐导热系数 的计算 熔融态电解质中离子主要运动形式是热振动, 其次还有扩散,离子间通过依次碰撞和扩散运动,实 现热量传递j 。根据这一特点,在稀土电解槽中单 组分纯物质电解质熔盐导热系数的理论估算可按照 以下几类模型进行类晶模型、晶格模型、硬球模 型‘“。 1 .1 类晶模型 在类晶模型中,热量在纯物质电解质熔盐中以 声速传递,可按照B r i d g e m a n 公式和K i n c a i d E y - 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 0 6 4 0 2 0 、5 0 6 6 4 0 0 7 ;内蒙古自治区高等学校科学研究项目 N J 0 9 0 8 3 作者简介刘中兴 1 9 6 9 一 ,男,河北赵县人,教授. 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年4 期 r i n g 方程进行计算。 1 .1 .1 B r i d g e m a n 公式[ 6 - s ] A k U /1 2 U 4 - W /p 。 z [ V / n N A ] V 3 1 .1 .2 K i n c a i d E y r i n g 方程 A 0 .9 3 1 /y 1 7 2 3 k n N A I V 2 7 3 U 固体和液体的恒压热容和恒容热容近似相等, 即y 1 ,则上式可等效为 A 2 .7 9 3 k n N A /v 2 7 3 U 1 .2 晶格模型‘’] 在晶格模型中,热量在传递的过程中要同时考 虑热振动和扩散运动,可按照G u s t a f s s o n 方程进行 计算。 A 6 k / z g n N A /v 1 门[ 2 k T / n m ] 1 7 2 优 舰M ,/孵 “2 1 .3 硬球模型 在硬球模型中,把离子当作无内部结构的硬球, 离子间除碰撞瞬间外无相互作用力,为完全弹性碰 撞。热量在传递的过程中考虑了热振动和扩散运 动,同时考虑了温度、压力和离子质量等因素对导 热系数的影响,可按下式计算。 A 。 6 4 /7 5 [ m 。/ k 3 T ] m 2 1 7 3 /N z 3 A V 2 7 3 A 。 a 绻 手一 V V 。 /V , 则上式可简化为 .;I 。 1 .9 3 6 1 0 7 帆/R T 1 7 2 A V 2 7 3 2 混合熔盐导热系数的计算 对于混合熔盐的导热系数,可以运用A r r h e n i u s 混合规则、混合物导热系数预测方法‘10 1 、混合 物导热系数的修正的幂律关系式来计算‘1 1 ] 。 2 .1 A r r h e n i u s 混合规则 A 一∑z ,A ; 2 .2 混合物导热系数预测计算方法 A ≯ ∑A 秒W , ∑∑B W i W 』 2 .3 混合物导热系数的修正幂律关系式 A h 一[ I - - 0 .I 军军舞- - 0 .7 职形] /善nc 睾,5 A L i . I L 3 计算结果及分析 表1 ~3 表1A r r h e n i u s 混合规则计算结果 T a b l e1T h er e s u l t sc a l c u l a t e db yt h eA r r h e n i u sm i x i n gr u l e 表2 混合物导热系数预测计算结果 T a b l e2T h er e s u l t sc a l c u l a t e db ym i x t u r et h e r m a lc o n d u c t i v i t yp r e d i c t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o d 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 1 1 年4 期 2 5 0 .5 5 00 9 8 0 .5 3 90 1 6 0 .5 2 83 6 8 0 .5 1 73 4 6 0 .5 0 55 9 6 0 .4 9 49 4 8 0 .4 8 33 9 3 0 .4 7 21 3 5 0 .4 6 41 9 1 0 .8 4 2 7 2 1 0 .8 2 7 5 6 1 0 .8 1 32 6 8 0 .7 9 75 7 9 0 .7 8 29 7 8 0 .7 6 76 6 9 0 .7 5 25 9 9 0 .7 3 67 9 9 O .7 1 60 0 2 O .6 3 97 6 9 0 .6 4 56 8 9 0 .6 5 16 0 9 0 .6 5 69 8 9 O .6 6 65 5 9 O .6 7 34 2 8 O .6 7 99 9 6 0 .6 8 62 1 3 0 .6 9 29 6 1 0 .7 5 06 2 6 0 .7 5 67 8 2 0 .7 6 26 6 5 0 .7 7 18 7 8 0 .7 7 91 4 9 0 .7 8 67 4 6 0 .7 9 30 7 8 O .8 0 12 6 2 0 .8 0 8 1 5 9 1 在类晶模型中,可按照B r i d g e m a n 公式和 K i n c a i d E y r i n g 方程进行计算。K i n c a i d E y r i n g 方 程在B r i d g e m a n 公式的基础上考虑了多原子分子内 部自由度,引入了E u c k e n 修正因子,从而使纯物质 熔盐导热系数的计算结果更加精确合理化。 2 在品格模型中,可按照G u s t a f s s o n 方程进 行计算。热量在传递的过程中同时考虑了热振动和 扩散运动对传热的影响,计算时要计算出阴阳离子 半径之和以及离子间距,但是阴阳离子半径和离子 间距受温度等因素影响变化很大,因此使计算结果 不够准确。 3 在硬球模型中,可按照硬球模型的计算公式 计算。热量在传递的过程中考虑了热振动和扩散运 动,同时考虑了温度、压力和离子质量等因素对导热 系数的影响,计算结果比较精确。 4 混合熔盐导热系数的计算可按照A r r h e n i u s 混合规则、混合物导热系数预测计算方法和混 合物导热系数的修正幂律关系式计算。混合物导热 系数预测计算方法在A r r h e n i u s 混合规则的基础上 考虑了组分间相互作用对导热系数的影响,而混合 物导热系数的修正幂律关系式又在混合物导热系数 预测计算方法基础上加入了修正因子,使计算结果 准确性更高。 4结论 1 按照类晶模型、晶格模型、硬球模型3 种模 型,计算了稀土电解槽内电解质单组分纯物质熔盐 导热系数,发现K i n c a i d E y r i n g 方程和硬球模型计 算结果较准确; 2 根据混合熔盐导热系数计算原则,预测了稀 土电解槽内电解质熔盐的导热系数,其中混合物导 热系数的修正幂律关系式预测结果准确性更高; 3 稀土电解槽内电解质熔盐导热系数随温度 变化值主要分布在0 .7 ~0 .8 5w / m K ,为稀土 电解槽内温度场的研究提供了一个重要物性参数。 符号说明 k - - B o l t z m a n n 常数,1 .3 8 1 0 q 3J /K ;B 一纯 物质熔盐的体积弹性模量,G P a ,P 一对应温度下熔 盐密度,k g /m 3 ;l ~粒子之间的距离,m ;V 一纯物质 熔盐的摩尔体积,m 3 /m o l ;N A A v o g a d r o 常数, 6 .0 2 1 0 2 3 /m o l ;n 一每种物质化学式中的离子个 数;y 一恒压热容与恒容热容比值,C 。/C v ;s /一阴 阳离子半径之和 “ r - 与离子间距离 d 之差, m ;T 一温度,K ;m 一分子质量,k g ;M 。一阴离子 摩尔质量;M 。一阳离子摩尔质量;A 。一对应态熔盐 的导热系数;V 。一熔点时液态盐的摩尔体积; V ;一熔点时固态盐摩尔体积;眠一盐的摩尔质 量,k g /m o l ;R 一气体常数,8 .3 1 4J / t o o l K ; A 一通过类比得出的纯物质熔盐导热系数,W / m K ;A i 是纯物质组元i 的导热系数,W / m K ; z 、W i 、W ,一纯物质组元i 、歹的物质百分含量; B 。一混合物中组分i 和组分歹导热系数的函数B 。 f 2 i ,A j . ,对非水混合体系,B 。一2 1 0 一;A “、 A L J 一纯物质组元i 、J 的导热系数,W / m K 。 参考文献 [ 1 3 邓左民,张小联,王俊.稀土电解槽温度场的数值分析’ [ J ] .江西有色金属.2 0 0 4 。1 8 1 1 6 1 8 . “ [ 2 ] T a k a oM o r i .T h e r m a lc o n d u c t i v i t yo far a r e e a r t hB l z i e o s a h e d r a lc o m p o u n d E J ] .P h y s i c aB ,2 0 0 6 - , 3 8 3 1 2 0 一1 2 1 . 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[ 4 ] D e p e s t e lLM ,S t r u b b eK .E l e c t r o d e p o s i t i o no fg o l df r o m c y a n i d es o l u t i o n so nd i f f e r e n t - G a A sc r y s t a lf a c e s [ J ] . J o u r n a lo fE l e c t r o a n a l yC h e m i s t r y ,2 0 0 4 ,5 7 2 1 9 5 2 0 1 . [ 5 ] Y a pCY ,M o h a m e dN .A ne l e c t r o g e n e r a t i v ep r o c e s sf o r t h er e c o v e r yo fg o l df r o mc y a n i d es o l u t i o n s [ J ] .C h e m o s p h e r e ,2 0 0 7 ,6 7 1 5 0 2 1 5 1 0 . [ 6 ] B A R B O S ALAD ,S O B R A LLGS .G o l de l e c t r o w i n i n g f r o md i l u t e dc y a n i d el i q u o r s p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f d i f f e r e n tr e a c t i o ns y s t e m s [ J ] .M i n e r a l sE n g i n e e r i n g , Z 0 0 1 ,1 4 9 9 6 3 9 7 4 . [ 7 ] 胡玉蓉,周泉.用于回收金的箱式电解槽的设计和应用 [ J ] .湿法冶金,2 0 0 5 ,2 4 3 1 4 3 1 4 5 . 上接第2 5 页 [ 5 ] 彭强,魏小兰,丁静,等.三元硝酸熔盐导热系数的计算 [ J ] .无机盐工业,2 0 0 9 ,4 1 2 5 6 5 8 . [ 6 ] 劳振花,姜兆波.液体体积弹性模量与温度关系测量实 验研究E J ] .科学技术与工程,2 0 0 9 ,9 2 3 8 7 3 9 0 . 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