40kA制钠电解槽流场的模拟研究.pdf

2 4 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 2 年9 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 2 ．0 9 ．0 0 7 4 0k A 制钠电解槽流场的模拟研究 刘中兴，张惠，伍永福，王亮亮 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 摘要电解质在阳极气泡和阴极钠液浮力的作用下在制钠电解槽内循环流动，是典型的气一液一液三 相流动。使用F L U E N T 软件建立4 0k A 制钠电解槽三维流场的数学模型，通过计算得到了电解槽内气 泡、钠液的浓度和速度分布情况，以及熔盐的流场分布图。 关键词钠电解槽；气泡；多相流；流场；数值模拟 中图分类号T F 8 2 6 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 9 0 0 2 4 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fF l o wF i e l di n4 0k A S o d i u m E l e c t r o l y t i cC e l l L I U Z h o n g - x i n g ，Z H A N GH u i ，W UY o n g f u ，W A N GL i a n g l i a n g S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dE n e r g y ，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 A b s t r a c t F l o w i n gc y c l i c a l l yi ns o d i u me l e c t r o l y t i cc e l ld u et ot h eb u o y a n tf o r c ei m p a c to fb u b b l eo na n o d e a n ds o d i u mo nc a t h o d e ，t h ee l e c t r o l y t ew a sat y p i c a la i r l i q u i d - l i q u i dt r i p h a s ef l o w ．T h et h r e e d i m e n s i o n a l f l o wf i e l dm a t h e m a t i cm o d e l so f4 0k As o d i u me l e c t r o l y t i cc e l lw e r ee s t a b l i s h e dw i t hF L U E N Ts o f t w a r e ． T h ec o n c e n t r a t i o na n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fb u b b l ea n ds o d i u m ，a sw e l la st h ef l o wf i e l do fm o l t e ns a l t ， w e r eo b t a i n e dt h r o u g hc a l c u l a t i o n ． K e yw o r d s s o d i u me l e c t r o l y t i cc e l I ；b u b b l e ；m u l t i p h a s ef l o w ；f l o wf i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 制钠电解槽中电解质的流动是阳极气泡及阴极 钠液上浮运动造成的[ 1 1 ] ，这种运动在促使电解质 温度与成分更均匀分布的同时也降低了电流效率。 因此，有必要对熔体流场进行研究[ 3 叫] 。 1 电解槽模型 以4 0k A 制钠电解槽为模拟的实际原型 如图 1 所示 。熔体在制钠电解槽内的流动属于气一 液一液三相流动。阴极和阳极均为圆筒形轴对称结 构，四组电极均匀分布于方形电解槽内，为简化模 型，选择电解槽的1 ／4 进行模拟。 收稿日期2 0 1 2 0 4 1 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 0 6 4 0 2 0 作者筒介刘中兴 1 9 6 3 一 ，男．河北赵县人，教授。 2 数学模型的建立 基本假设和边界条件参考文献[ 5 6 ] 。 采用欧拉模型对电解槽内流场进行模拟计算。 电解槽内的熔体可以看成是不可压缩的流体[ 7 _ ] ， 可以采用由连续方程‘1 ⋯、动量方程Ⅲ3 和k e 双方 程m _ 1 4 3 联立方程组来求解流场。具体见式 1 ～ 8 。 弛生 聋型 丛世0 1 3 x ’ a v 。 O z 、～ 氅d x 型 鼍岩 氅d 盟z 一腾。一差d V ⋯ d Z 万方数据 刨 阳极 阴极 错体 图l电筒筚稽结构不蒽图 r i 2 ．iS c h e m a t i cd i a ；2 r a mI l f ．c l c c t r o l 3 ’s i sc e l l 未c P 吖凳 杀c P 以篝， 未c 产吖凳， 只 2 驾≯ 等岩 业3 型z 一腾，一筹a 、， ’ a z ’ 广‘’’ a v 。 未 p 吖g d v v y 毫 产“篝 叠 ∥吖，等 L 3 驾} 驾岩 氅d 字一籍。一髦d Z ，VZ ’ d Z 未 产吖O d v z a 袅 P 吖篝 麦 户盯，凳 F 4 户w 一卢 p T 5 户丁 q ∥2 ／￡ 6 丢 胪。 一去[ 卢 等 差 p 丁瓦a v j 、．瓦a v 】_ 下, 差 - I D s 7 去 胪。 一矗‰ Y 盯J 。- 差 c - 争r 姐a v , ．慨a v , 崛a v , 一c 2 l D 譬 8 3 模拟结果及分析 3 ．1电解槽内气泡对流场的影响 图2 为气泡流场和浓度的分布云图。 由图2 a 可看出，阳极气体主要在阴阳极之间的 区域流动，气泡流速从阳极外表面到阴极内表面呈 现逐渐减小的趋势，相反，从阳极末端到靠近熔体上 表面则呈现不断增加的趋势，最大值出现在阳极上 部靠遗熔体上表面处。由图2 b 可以看出，阳极气泡 主要分布在阳极表面和I - 部熔体中。在电解基本处 图2 气泡流场 a 和浓度 b 云图 F i g ．2 D i s t r i b u t i o no fb u b b l ef l o wf i e l d a a n dc o n c e n t r a t i o n b 于稳定后，在阳极与电解质之间会形成一个动态气 层[ 15 。，其厚度为自下而上逐渐增厚，气泡上浮到熔 体表面后逸出。 图3 a 为模型在y o z 平面的截面坐标，图3 b 是 在y o z 截面上自下而上不同高度时气泡的流速分布 曲线。图3 b 表明，靠近阳极外表面时气体流速达到 最大，且气泡的流速在阳极外表面附近自下而上逐 渐增大。 3 ．2 电解槽内钠液对流场的影响 图4 为钠流场和浓度的云图。 由图4 a 可以看出，钠液的主要流动区域是阴阳 极之间，从阴极内表面到阳极极外表面钠液流速逐 渐减小，从阴极末端到靠近熔体上表面不断增大，钠 液最大流速出现在阴极上部靠近熔体上表面处[ 8 ] ， 钠液上浮至熔体表面后逸出。由图4 b 可以看出，钠 液的浓度很小，所以钠液的流动对电解质的循环流 动提供的动力很小，可以忽略。图4 b 局部放大图如 图5 所示，由图5 可知，钠液在阴极内表面有少量分 布。在电解时，钠液不会充满整个阴极区，但当电解 趋于稳定时，会在阴极与电解质之间形成一个很薄 的动态液体层。 图6 是在y o z 截面上自下而上不同高度时钠液 的流动曲线图。 图6 表明，钠液流速在靠近阴极内表面时达到 最大，且在阴极内表面附近，钠液的流速自下而上逐 渐增大。 3 ．3 电解槽内熔体流场分析 万方数据 2 6 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 2 年9 期 图7 为电解槽内电解质的流场云图。 Y ； 量 瑙 堪 帚 一1 ．2 f 1 1 ．2I } 4I J ．60 ．8 位置／m 图3 模型坐标 a 和气泡流动曲线图 b F i g ．3 M o d e lc o o r d i n a t e a a n db u b b l ef l o wd i s t r i b u t i o nd i a g r a m b f b n a - v o [ 聪 7 5 ”。 16 S 睡 图4 钠流场 a 和浓度 b 云图 F i g ．4 D i s t r i b u t i o no fs o d i u mf l o w f i e l d a a n dc o n c e n t r a t i o n b 由图7 可以看出，在气泡和钠液的影响下，电解 质主要在阴阳极之间流动。阴阳极以外区域的熔体 基本上处于静止状态。这是因为，电解时在阳极生 成氯气，在阴极生成金属钠，而金属钠和氯气的密度 都较电解质轻，在上浮过程中形成了气一液一液三 相流动。由予电解主要发生在阴阳极之间，在阴极 以外几乎没有气体生成，因此基本上只带动阴阳极 之间的电解质流动。熔体的流动曲线图见图8 。 图8 表明，在阳极外表面附近电解质的流速达 到最大，这是由于阳极外表面是气泡的主要分布区 域，而阴极内表面上钠的生成量较小，对电解质的影 图5钠浓度云图局部放大 F i g ．5 P a r t i a le n l a r g e m e n to fs o d i u m c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n 响不明显，而且在阳极外表面附近自下而上电解质 的流速逐渐增大。 4结论 1 阳极气泡主要在阴阳极之间的区域流动，流 速在阳极上部靠近熔体上表面的区域达到最大。 2 阴极钠液主要分布在阴极内表面附近，其生 成量较小，对熔体的影响较小。 3 电解质主要在阴阳极之间的区域流动，且阳 极外表面附近流速较大。 4 沿Z 轴自下而上方向，气泡、钠液和电解质 的流速逐渐增大。 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 J l l l l 0 O 0 0 Ⅷ惦㈨乏㈨％孙惦㈨％Ⅻ蛎㈨豁Ⅲ黔加旧⋯兰 。-■-瓣缢■曝叠■■■ n 4 2 8 6 4 2 2 2 2 2●●L●■疆羹 万方数据 2 0 1 2 年9 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 2 7 - - O ．2 10 ．2I L 4‘ ．60 ．8 位置，m 图6 钠流动曲线图 F i g ．6 S o d i u mf l o wd i s t r i l u t i o nd i a g r a m 图7 熔体流场云图 F i g ．7 M e l tf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n 参考文献 I - 1 ] 李茂，周孑民，王长宏．3 0 0k A 铝电解槽电、磁、流多物 理场耦合仿真[ J ] ．过程工程学报，2 0 0 7 ，7 2 3 5 4 3 5 9 ． [ 2 ] 刘宇新，刘中兴，杨立军．稀土电解槽气液两相流动数 值模拟[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 0 2 7 3 0 ． [ 3 ] 刘中兴，张桢，伍永福，等．稀土钕氧化物电解槽内液一液 两相流动研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 5 2 7 3 0 ． [ 4 ] 张宏光．熔盐电解槽内多相流动的分析[ D ] ．包头内 蒙古科技大学，2 0 0 7 ． 位置，m 图8 熔体流动曲线图 F i g ．8 M e l tf l o wd i s t r i b u t i o nd i a g r a m [ 5 ] 伍永福，李署阳，郎景丽，等．熔盐制钠电解槽电场的数 值模拟[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 1 2 6 2 9 ． [ 6 ] 贾瑞博，张惠，刘中兴，等．4 0k A 钠电解槽三维磁场模 拟研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 5 2 卜2 3 ． [ 7 ] 伍永福，刘中兴，李姝婷，等．稀土熔盐电解槽内多相流 动数值模拟[ J ] ．过程工程学报，2 0 0 9 ，9 增刊1 4 1 0 4 1 4 ． [ 8 3 张桢．稀土电解槽流场数值模拟研究及熔盐导热系数计 算[ D ] ．包头内蒙古科技大学，2 0 1 1 ． [ 9 ] 伍永福．稀土电解槽的仿真模拟及优化设计[ D ] ．包 头内蒙古科技大学，2 0 0 7 ． [ i o ] M a n d i nP h ，A i tA i s s aA ，R o u s t a nH ，e ta 1 ．T w o p h a s ee l e c t r o l y s i sp r o c e s s F r o mt h eb u b b l e t Ot h e e l e c t r o c h e m i c a lc e l l p r o p e r t i e s [ C ] ／／C h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dP r o c e s s i n g ，2 0 0 8 4 7 1 9 2 6 1 9 3 2 ． [ 1 1 ] S p i c l r aP ，D i a sMM ．G a s L i q u i dF l o wi na2 DC o l u m n C o m p a r i s o n b e t w e e n E x p e r i m e n t a l D a t ae n d C F D M o d e l i n g [ C ] ／／C h e m ．E n g ．S c i ，2 0 0 1 ，5 6 6 3 6 7 6 3 8 3 ． [ 1 2 ] 刘中兴，齐素慈．3k A 钕电解槽流场的数值模拟[ J ] ． 稀有金属材料与工程，2 0 0 7 2 1 9 4 1 9 6 ． [ 1 3 ] 刘中兴，曹锋．钕电解槽阳极气泡的数值模拟[ J ] ．有 色金属 冶炼部分 ，2 0 0 4 6 3 5 3 7 ． [ 14 ] 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 ge l e c t r o d e s i n s t a g n a n te l e c t r o l y t e s [ C ] ／／E l e c t r o ～ c h i m i c aA c t a ，2 0 0 5 ，5 0 2 0 7 3 2 0 7 9 ． [ 1 5 ] 刘宇新．稀土电解槽气液两相流动对电解过程的影响 研究[ D ] ．包头内蒙古科技大学，2 0 1 0 ． 一。∞．曼、瑙堪峰琏掣 6 4 2 O 8 6 4 2 0 l l l l 0 0 0 0 一I-s．旦、嚣髓蜓最 8 7 n S 4 3 2 ●0 Q 8 7 n S 4 3 2 ●囊毯■●■爨■■■ 万方数据