60+kA底部阴极稀土电解槽极距的模拟优化.pdf

3 2 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第1 0 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 3 ．1 0 ．0 0 9 6 0k A 底部阴极稀土电解槽极距的模拟优化 董云芳1 ，刘中兴1 ，伍永福1 ，许立勇2 ，何金辉 1 ．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 ； 2 ．包头钢铁集团稀土公司，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要以6 0k A 底部阴极稀土电解槽为模型，利用C F D 软件模拟极距分别为8 0 、9 0 、1 0 0 、1 1 0 和1 2 0m m 时，阳极表面气体的运动速度和阴阳极之间气体的分布，并对模拟结果进行分析。结果表明，最佳极距 为1 1 0m r n 。 关键词6 0k A 稀土电解槽；数值模拟；极距；优化 中图分类号T G l 4 6 ．4文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 1 0 0 0 3 2 0 4 S i m u l a t i o na n dO p t i m i z a t i o no fP o l a rD i s t a n c ei n6 0k A B o t t o m C a t h o d eR a r eE a r t hE l e c t r o l y z e r D O N GY u n f a n 9 1 ，L I UZ h o n g x i n 9 1 ，W UY o n g f u l ，X UL i y o n 9 2 ，H EJ i n h u i l 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 l ，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 ，I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a ； 2 ．R a r eE a r t hC o m p a n y ，B a o t o uI r o na n dS t e e lG r o u pC o r p ．，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 W i t h6 0k Ab o t t o m c a t h o d er a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l la sm o d e l ，t h em o v i n gv e l o c i t yi na n o d e s u r f a c ea n dc o n c e n t r a t i o no fg a sb e t w e e na n o d ea n dc a t h o d ew e r es i m u l a t e db ys o f t w a r eC F Dw i t ht h ep o l a r d i s t a n c eo f8 0 ，9 0 ，10 0 ，110a n d12 0m mr e s p e c t i v e l y ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h eo p t i m u mp o l a rd i s t a n c ei s 110m m ． K e yw o r d s 6 0k Ar a r ee a r t he l e c t r o l y z e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p o l a rd i s t a n c e ；o p t i m i z a t i o n 随着人们对稀土功能材料研究的逐步深入，稀 土的需求量也在日益增加。稀土氧化物熔盐电解法 是生产稀土金属的重要手段。现有的稀土电解槽多 为上插式，规模小，虽易于管理、便于操作，但其产量 低、能耗大。为大幅提高稀土金属的产量，满足社会 节能减排的需求，上插式电解槽必将向着底部阴极 式电解槽的方向发展。 电解槽内熔盐的循环流动是电解正常进行的前 提，而阳极气体的上浮则是熔盐运动的主要驱动 力D - 5 ] ，因此阳极气体在电解质中的分布成为影响电 解的主要因素。本文以6 0k A 底部阴极导流式稀 土电解槽为模型Ⅲ，利用C F D C o m p u t a t i o n a lF l u i d D y n a m i c s 软件建立气一液一液多相流的数学模 型睁引，模拟不同极距时电解槽内阳极气体的速度和 阴阳极之间气体的浓度分布。 1 数学模型的建立 1 ．1 电解槽的几何模型 由于该槽的对称性，为简化运算，取其四分之一 作为研究对象，其结构简图和熔盐模型如图1 所示。 收稿日期2 0 1 3 0 3 2 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 6 4 0 2 5 ，5 1 0 6 4 0 2 0 ；内蒙古自然科学基金项目 2 0 1 1 M S 0 7 0 3 作者简介董云芳 1 9 8 4 一 ，女。河北邢台人，硕士研究生；通信作者刘中兴 1 9 6 3 一 ，男，河北赵县人，博士，教授 万方数据 2 0 1 3 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．C D 3 3 ／ 图11 ／4 电解槽几何结构图和1 ／4 槽体熔盐模型 F i g ．1 S t r u c t u r ed i a g r a mo fo n eq u a r t e ro fc e l lm o d e la n dm o d e lo fm o l t e ns a l t 1 ．2 控制方程 槽内熔体视为不可压缩流体，采用的方程包括Ⅳ一 ￡湍流模型的连续性方程、动量方程、肜一￡方程等[ 1 1 | 。 1 ．3 几点假设 所形成的气泡为尺寸均一的球形；气泡在上升 过程中，忽略升力产生的影响；忽略气泡由于碰撞产 生的破碎、合并；气泡没有旋转；不考虑气泡之间的 相互作用力；不考虑滑移速度。 1 ．4 边界条件 1 给定入口速度；2 气体出口为电解质表面，采 。芒， 用标准大气压强；3 对称面上的变量梯度为零；4 近 壁面采用标准壁面函数，固体壁面采用无滑移边界。 2 模拟结果的分析 模拟时采用文献[ 1 2 ] 中的电解质组成比例， 10 5 0 ℃电解时，电解质的密度为3 ．8 5g ／c m 3 ，电解 质的黏度[ 嘲为4 ．9 5 1 0 _ 3P a S 。 2 ．1 不同极距时气体的速度矢量图 z l1 4 0m 面不同极距的气体速度矢量图见图2 。 a 8 0m m ； b 9 0m m ； c 1 0 0m m ； d 1 1 0m m ； e 1 2 0m “ 图2x 11 4 0m m 面不同极距的气体速度矢量图 F i g ．2 V e l o c i t yv e c t o r so fg a so nf a c e so fx 。11 4 0m ma td i f f e r e n tp o l a rd i s t a n c e j 一 ．■■翻■■■● k 鳓， 宅 o {{_j，；一}{一}_．●， _■一鲨●■●●■ 霉 3 r ‘ z 卜 舶孙㈣％可晓托川h㈣ ●■黑遴■■■_■● 。濑 ∥ 搿 ．| 孑r 盯圳麒K㈨％盯训船r㈩ _■_曩、m隘■■■●■ ∥ ～ 萌 ．| ，，． Z H l●一一．4，抖n_ J lU一．“-0 2 ●．●一鋈篮■■■●■ 万方数据 3 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 3 年第1 0 期 图2 表明 1 随着极距的增加，阴阳极之间电解质在增加， 阳极产生气体的扩散范围增加，气体速度减小；由气 体上升带动熔体的运动速度减小。这将使阴阳极表 面的电解质更换速度降低，从而减低电解效率。 2 极距过小时，阴阳极之间电解质层较薄，气体 将会扩散到阴极金属表面，在高温条件下发生二次 氧化反应，造成空耗电流降低电解效率。 3 气体的运动集中在阳极下表面，并且其速度 沿Y 方向逐渐增加，最大速度出现在阳极末端。由 气体上浮带动电解质的运动，因电解质本身的物理 特性密度和黏度大，必然使得电解质的速度小 于气体的运动速度，而阳极末端与壁面之间的电解 质运动最为剧烈，为电解质的循环带来动力。 2 ．2x 11 4 0m m 面不同极距时的气体浓度分布 z 一11 4 0m m 面不同极距的气体浓度分布图如 图3 所示。 J H 吼 ～8 I 釜- 彝 奎州 蒌习 彗4 I 圣{ ●l l f 鼎 1I 7 2 { 17 4 z | m a y 5 0 0r a m ； b j ，一10 0 0m m ； c y 一15 0 0m m ； d y 2 18 5 0m m 图3 不同位置气体的浓度 F i g ．3 C o n c e n t r a t i o no fg a sa td i f f e r e n tp o s i t i o n s 从图3 可看出 1 随着极距的增加，阴阳极之间气体的浓度减 小，尤其在靠近阳极表面；极距越大，气体在电解质 的扩散空间增加，这将导致气体浓度下降。 2 随着极距的增加，在距阴极表面相同的位置 上，电解质的含气率减小，这就减小了阳极气体在高 温条件下和阴极金属之间的二次氧化反应，有利于 提高电解效率。 3 极距为1 1 0m m 时，距阴极表面相同位置上 的含气率明显低于极距8 0 、9 0 、1 0 0m m ，略高于1 2 0 m m ；在阳极表面，沿阳极的倾斜方向，其含气率高 于其他极距时的含气率。说明阳极表面电解质的循 环流动带动了电解质中0 2 _ 在阳极表面聚集，使其 最大程度地参与电解反应，有利于电极效率的提高。 3结论 1 利用F L U E N T 流体软件模拟极距变化时熔 体的流动情况，能够直观地观察电解过程中熔体的 万方数据 2 0 1 3 年第1 0 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 3 5 流动变化趋势，为该电解槽的建立提供可行方案。 2 对于6 0k A 底部阴极电解槽，最佳极距为 1 1 0m m ，此时既能保证电解质的循环流动，又减少 了阴阳极之间的二次反应，提高电解效率。 参考文献 l - 1 ] 刘中兴，张惠，伍永福，等．4 0k A 制钠电解槽流场的模 拟研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 9 2 42 7 ． [ 2 ] 张作良．1 0k A 底部阴极稀土电解槽电场和流场的数值 模拟研究[ D ] ．包头内蒙古科技大学，2 0 1 0 ． [ 3 ] 刘忠杰，刘中兴，贺友多．计算稀土电解槽中阳极气体发 生量的数学模型[ J ] ．稀土，2 0 0 2 ，2 3 6 6 5 6 6 ． [ 4 ] 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 ． [ 5 ] 刘中兴，刘宇新，杨晓亮，等．稀土电解槽电极间距的模 拟优化[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 2 3 2 5 ． [ 6 ] 伍永福，刘中兴，李保卫，等．底部阴极导流式稀土电解 槽中国，C N 2 0 1 7 2 2 4 3 2 U [ - P ] ．2 0 1 1 - 0 1 2 6 ． [ 7 ] H a s a nAR ，K a b i rCS ．An e wm o d e lf o rt w op 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 g i 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 [ J ] ．S P EP r o d u c t i o nE n g i n e e r i n g ，1 9 9 0 ，5 2 1 9 3 1 9 9 ． [ 8 ] 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 l t 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 ． [ 9 ] 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 ，C o m p u 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 ，3 7 6 3 7 3 ． [ 1 0 ] 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 et Ot h e e l e c t r o c h e m i c a lc e l lp 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 lD a t e a 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 76 3 8 3 ． [ 1 2 ] 刘奎仁，陈建设，魏绪钧，等．N d F 。一L i F - N d O 。系熔盐 密度的研究[ J ] ．稀有金属与硬质合金，2 0 0 0 ，2 8 4 7 1 0 ． [ 1 3 ] 郑天仓，任永红，毛裕文．N d F 。一L i F N d 。O 。体系黏度的 研究[ J ] ．稀土，2 0 0 0 ，2 1 6 3 3 3 5 ． 昆明路博润矿业科技开发有限公司 专业生产置换锌粉及电解电积添加剂的供应商 金银提炼专用置换锌粉、置换助剂、添加装置 高纯度高活性、置换率高、置换成本低，金泥含金品位高 铅锌湿法冶金工艺净化专用锌粉及砷盐、锑盐 比表面积大，纯度高，在净化除杂中避免镉的返溶，降低净化成本 金属电解电积工艺专用明胶、添加剂及溶胶装置 可使产品更加平整、致密，提高产品质量，易于剥离，减少电解槽酸雾 地址云南昆明国家高新技术产业开发区海源中路和成国际B 座 电话0 8 7 1 6 6 9 2 5 8 9 9 6 6 5 2 6 6 0 81 3 5 2 9 2 1 6 0 0 8 邮编6 5 0 1 0 6 万方数据