稀土电解槽电极的优化模拟.pdf

3 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年6 期 稀土电解槽电极的优化模拟 刘中兴1 ，刘宇新1 ，伍永福1 ，张桢1 ，刘宇慧2 ，杨晓亮2 1 ．内蒙古科技大学能源与环境学院，包头0 1 4 0 1 02 ．宝钢集团巴润矿业公司，包头0 1 4 0 8 0 摘要利用流体软件F L U E N T ，建立了稀土电解槽的阳极气泡及熔体整体流场数学模型。对电解槽的 电极插入不同深度的流场进行了数值模拟。得出了电解槽的熔体整体流场分布图及在不同位置气体浓 度分布曲线图。 关键词稀土电解槽；电场；数值模拟 中图分类号T G1 4 6 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 0 0 6 0 0 3 0 - - 0 3 S i m u l a t i o nO p t i m i z a t i o no fR a r eE a r t hE l e c t r o l y s i sC e l lE l e c t r o d e L I UZ h o n g - x i n 9 1 ，L I UY u x i n l ，W UY o n g f u l ，Z H A N GZ h e n l ，L I UY u h u i 2 ，Y A N GX i a o l i a n 9 2 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 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 dT 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 ．A a r u nM i n i n gC o ．。L t d ．，B a o g a n gS t e e lG r o u p ，B a o t o u0 1 4 0 8 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h er a r e - e a r t he l e c t r o l y z e ra n o d ef l o wf i e l do ft h eb u b b l ea n dm e l ta saw h o l em a t h e m a t i c a lm o d e l w e r ee s t a b l i s h e du s i n gt h ef l u i ds o f t w a r eF L U E N T ．T h ef l o wf i e l dw a ss i m u l a t e do nt h ee l e c t r o l y z e re l e c t r o d ei n s e r t e da td i f f e r e n td e p t h s ，e l e c t r o l y z e rm e l tf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o na saw h o l ea n di nd i f f e r e n tl o c a t i o n so fg a sc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nc u r v ew e r ea l s oo b t a i n e d ． K e y w 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 i cf i e l d ；A n a l o gs i m u l a t i o n 熔盐电解过程中无论是氯化物、氟化物还是氧 化物，电解过程中阳极上必然有气体产生。对阳极 气体的研究，无论是对电解槽的流场还是电场，都有 着重要的意义。 电解槽体系属于多相体系，它的流动应该是多 相流动体系和流动、传递、反应过程耦合的复杂体 系。而非线性的多相流动体系和流动、传递、反应过 程耦合的复杂体系的理论分析往往十分困难，而性 能日益优异的计算机和数值计算能有效地求解涉及 的偏微分方程模型，认识多相体系的化学工程性质。 本工作采用电解槽内的气液两相流动进行数值模 拟。 1 数学模型的建立 稀土电解槽内阳极气体生成在电解质中上浮运 动，是典型的气一液两相流动。本文采用两相流范 畴的欧拉模型对电解槽内的气一液两相流动进行数 值计算[ 1 - 9 ] 。气体在阳极表面形成，根据气体在单 位时间内生成的体积大小[ 1 ] ，给定其速度人口进入 电解质。 1 ．1 电解槽内模型选取 在实际情况和假设条件下，对K e 双方程模型 进行模化、简化，就得到了圆柱轴对称坐标系下，含 气熔体流的二维控制方程式。 1 ．1 ．1 连续方程 掣盟 攀型 陛0 1 1 ．1 ．2 动量方程 r 方向 J D 饥等 饥凳 一一等3 卢∥[ d 3 r r 1d a r r v ， 基金项目国家自然科学基金资助项目 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 3 一 ．男，河北赵县人，教授． 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年6 期 3 1 a ．2 ．U 2 r “ ．1 F r 十a z 2 。十r 7 z 方向 2 加，斋 ％警， 一警 M [ 专导c r 等， a d Z z v 。, ] F a p g c 3 式中，珥、敛分别为径向和轴向的速度，F r 、 F 分别为在径向和轴向上的体积力 即电磁力 。 1 ．1 ．3 K 一8 方程 K 方程 J D 珥万a K 矾a d K z 7 1 品 尝，．3 d K ，． 麦 尝 a d K z G G K 一卢 4 e 方程2 P c 珥舅 仉d a 2 e 导c 尝r 雾， 磊c 尝爱， c ，￡- - G q - G K 一C z p ￡ 5 彤 ’ Ⅳ 上式中，G 。为湍流动能产生率，G 为浮力生成 项 G p 彬{ 2 [ 等 2 等 2 卺 2 ] 等 警 2 } 6 G 唱等篝 ∽ 1 ．1 ．4 气泡浓度方程 v , c ， 专募c 巾口，，一手杀c r 等舅，一 丛譬型 8 式中的有关参数与标准K - ￡模型的相同，按照 L a u n d e r 和S p a l d i n g 给出的值取，这里仅增加 P r a n d t l 数o t ，具体各常数的值如下 e 一0 ．0 9 ；C 1 1 ．4 4 ；C z 1 ．9 2 ；巩一1 ．0 ；仉 一1 ．3 ；G t 一1 ．0 。 对于湍流流动，有效黏度系数，L e f f 包括湍流黏 度p ，和分子黏度系数p ，．L e f f 一∥ 肚 9 胁由湍流的两个特征参数K 和￡所决定 触一％K 2 ／e 1 0 1 ．2 几点假设 1 没有气泡由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 所有气泡 尺寸均一，皆为球形； 5 不考虑滑移速度； 6 不考 虑气泡间的相互作用； 7 忽略虚拟质量力。 1 ．3 计算的边界条件 1 给定速度入口； 2 出口选择标准大气压 强； 3 对称边上变量的梯度为零； 4 固体壁面采 用无滑移边界，近壁面采用标准壁。 2 模拟结果及分析 2 ．1 不同电极插入深度的流场分布 图1 图1 不同电极插入深度熔体的流场分布 F i g ．1 T h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n te l e c t r o d ei n s e r t i o nd e p t h 1 电解质主要在两极间流动，在阳极端部有微 弱的环流，在阳极附近流速最大，有利于阳极气体的 排出。电解槽底部熔体流动不太剧烈，基本上宜于 稀土金属的收集。 2 阳极与石墨坩埚壁之间的电解质，流动特别 微弱，对整个电解槽电解质的温度和成分的均匀不 利，由于流动的微弱性，电解质因无法流到电极之 间，而不能很好地参与电解反应过程，造成电解槽空 间的浪费。 3 电极插入深度增加使得流动区域逐渐向下 扩大，范围增加，使处于流动状态的电解质的量增 加，这样就有效地利用了电解槽的空间，流场运动均 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年6 期 匀，有利于电解质成分和温度的均匀，对电解有利。 但是不宜采用过深的插入深度，因为如果底部的流 动区域过大，底部金属接收器的距离太近，容易把生 成的金属重新带回熔盐中造成二次溶解，降低生成 摹 、 籁 隶 器 艘 纵载面距离，m 受 黎 鐾 金属的效率。 2 ．2 不同电极插入深度的流场纵截面上气泡浓度 分布情况 图2J 摹 、 裁 求 氍 避 纵载面距离／m纵载面距离，m 图2 流场不同纵截面上的气泡分布图 F i g ．2 T h eb u b b l ed i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l di nd i f f e r e n tv e r t i c a lc r o s ss e c t i o n 1 随着插入深度的增加，流动区域逐渐向下扩 大，范围增加，流场强度稍有增加，但变化幅度不大。 随着插入深度的增加，一方面阳极内壁的速度在X 方向上范围逐渐增大，这样带动着周围电解质更好 的循环流动，在一定程度上可以避免阳极效应的发 生。另一方面速度对坩埚壁侧的冲刷作用会越来越 向下，这样容易把阳极渣泥带入到接受器中，不利于 金属的纯度。 2 随着电极插入深度的增加，会使阴极和阳极 所包围的区域增大，电极反应界面增大，电解槽的功 率加大，使更多的电解质参与电解反应过程，这对电 解是有利的。但同时单位时间内的产气量就增多， 相对的气泡浮力增大，而气泡浮力又是熔体流动的 决定性驱动力，所以电极插入深度最大时，熔体的流 动强度和范围也就达到了最大，过大的电极插入深 度会使电解槽下部的电解质运动剧烈，难以保持金 属接收器区域熔体的静止状态，不利于稀土金属的 收集。 3 随着电极插入深度的不同，阴阳极一致表现 为电位差增大，这也说明电极如果插入过深就很难 保证阴极区电流分布的水平，甚至影响电解过程的 进行。 3结论 电极插人深度的增加，带动着周围电解质更好 的循环流动，在一定程度上可以避免阳极效应的发 生，但电极如果插入过深就很难保证阴极区电流分 布的水平，甚至影响电解过程的进行，电极不宜插入 过深；对于目前3k A 钕电解槽而言，为使电解槽更 好的生产，插入深度保持在0 ．2 1 5m 左右更合适一 些。 参考文献 1 , 1 3 周力行．湍流两相流与燃烧的数值模拟[ M ] ．北京清 华大学出版社，1 9 9 1 ． [ 2 3 连桂森．多相流动基础V M ] ．杭州浙江大学出版社， 1 9 8 9 ． [ 3 3O h t aM i t s u h i r o 。S h i n d oJu n ，A k i y o s h iM a k o t o ，e ta 1 ． C o n s i d e r a t i o no fe v a l u a t i o nm o d e lo fm i x t u r ep h y s i c a l p r o p e r t i e si nl i q u i d l i q u i df l u i ds y s t e m s [ J ] ．H e a ta n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 。2 0 2 6 1 6 6 ． [ 4 ] H a s a nAR ，K a b i rCS ．N e wm o d e lf o rt w o - p h a s eo i l ／ w a t e rf l o w p r o d u c t i o nl o gi n t e r p r e t a t i o na n dt u b u l a r c a l c u l a t i o n s [ M ] ．S o c i e t yo fP e t r o l e u mE n g i n e e r so f A I M E ， P a p e r S P E ，vP I ，1 9 8 8 3 6 9 3 8 2 ． [ 5 ] B o n i z z iM ，I s s aRL ．O nt h es i m u l a t i o no ft h r e e - p h a s e s l u gf l o wi nn e a r l yh o r i z o n t a lp i p e su s i n gt h em u l t i - f l u i d m o d e l [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM u h i p h a s eF l o w ， 2 0 0 3 ，2 9 1 1 1 7 1 9 1 7 4 7 ． [ 6 ] K o n i gCS ，S u t h e r l a n dIA ．N u m e r i c a lm o d e l i n go fl i q - u i d l i q u i df l o wr e l a t e dt oc o u n t e r c u r r e n tc h r o m a t o g r a p h y C C C [ J ] ．A d v a n c e si nF l u i dM e c h a n i c s ，v3 7 ，C o m p w t a t i o n a lM e t h o d so nM u l t i p h a s eF l o wI I ，2 0 0 4 6 3 7 3 ． [ 7 ] F a i r u z o vY u r iV ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft r a n s i e n t f l o w o ft w oi m m i s c i b l el i q u i d si np i p e l i n e [ J ] ．A I C h E J o u r n a l ，2 0 0 0 ，4 6 7 1 3 3 2 1 3 3 9 ． [ 8 ] N u n e z - s o l i sR ，F a i r u z o vY u r iV ．M o d e l i n go ft r a n s i e n t t w o - p h a s el i q u i d - l i q u i df l o wi np i p e l i n e s [ J ] ．A m e r i c a n S o c i e t yo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r s ，F l u i d sE n g i n e e r i n gD i v i s i o n P u b l i c a t i o n F E D ，v2 5 6 。F l u i d sE n g i n e e r i n gD i v i s i o n2 0 0 1 ，2 0 0 1 2 5 1 2 5 5 ． 1 , 9 3A r a u zG r i g o r yL ，S a nA n d r e sL u i s ．A n a l y s i so ft w O - p h a s ef l o wi nc r y o g e n i cd a m p e rs e a l s P a r tl T h e o r e t i - c a lm o d e ll , J ] 。A m e r i c a nS o c i e t yo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r s P a p e r ，1 9 9 7 7 ． 万方数据