阳极气泡运动对制钠电解槽内熔盐流场的影响.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 4 年第1 0 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 l ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 4 ．1 0 ．0 0 6 阳极气泡运动对制钠电解槽内嬉盐流场的影响 龚志军，伍永福，刘中兴，武文斐 内蒙古科技大学内蒙古白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要模拟电解熔盐制钠过程中阳极气泡的运动，测量气泡周围流场的变化，分析阳极气泡运动对电解 槽内熔盐流场的影响。利用粒子成像测速仪 P I V 测量得到平行和垂直阳极方向的流体运动，并研究 液面高度及气体流量对流场的影响。 关键词钠电解槽；气泡运动；P I V ；流场 中图分类号T F 8 2 6 ．2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 1 0 0 0 2 40 3 E f f e c to fA n o d eB u b b l eM o v e m e n to nM o l t e nS a l tF l o wF i e l di n S o d i u mE l e c t r o l y t i cC e l l G O N GZ h i ju n ，W UY o n g f u ，L I UZ h o n g x i n g ，W UW e n f e i I n n e rM o n g o l i aK e yL a b o r a t o r yf o rU t i l i z a t i o no fB a y a nO b oM u l t i m e t a l l i cR e s o u r c e s ，E l e c t e dS t a t eK e yL a b o r a t o r 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 M o v e m e n to fa n o d eb u b b l ei ns o d i u mm o l t e ns a l te l e c t r o l y t i cc e l lw a ss i m u l a t e d ．T h ev a r i a t i o no f f l o wf i e l da r o u n db u b b l e sw a sm e a s u r e d ．T h ee f f e c to fm o v e m e n to fa n o d eb u b b l eo nf l o wf i e l do fm o l t e n s a l ti n s i d et h ec e l lw a sa n a l y z e d ．T h ef l u i dm o t i o no fp a r a l l e la n dv e r t i c a ld i r e c t i o nt Oa n o d ew e r em e a s u r e d b yP a r t i c l eI m a g eV e l o c i m e t r y P I V ．T h ee f f e c t o fl i q u i dl e v e la n dg a sf l o wo nf l o wf i e l dw e r e i n v e s t i g a t e d ． 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 l ；b u b b l em o v e m e n t ；P I V ；f l o wf i e l d 电解熔盐制钠是制取金属钠的重要方法，但对 融盐制钠电解槽的理论研究较少。刘中兴等口{ 1 对 制钠电解槽流场进行了数值模拟，通过计算得到电 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。伍永福等[ 3 1 对熔盐制钠电解槽电场 进行了数值模拟，贾瑞博等[ 4 1 对熔盐制钠电解槽的 磁场进行了数值模拟。 气泡在熔盐制钠过程中起着重要作用，阳极生 成的气泡对流场和温度场，以及对制纳过程效率都 有重要影响。国内对水中气泡的运动作了很多的研 究工作[ 5 。1 ⋯，刘中兴等口妇对钕电解阳极气泡进行了 数值模拟。薛玉卿等口2 ] 对铝电解槽内阳极气泡运 动规律以及气泡运动对电解质运动影响的规律进行 了冷态模拟研究。但是对于电解熔融氯化钠制取金 属钠过程中气泡运动如何影响电解质的流动相关研 究很少。分析熔盐中气泡的形成及其运动对改善电 解工艺、提高电解效率至关重要。本文通过模拟熔 盐制钠过程中阳极气泡的运动，并且通过粒子成像 测速仪 P I V 测出气泡周围流场的变化，分析阳极 气泡运动对电解槽内熔盐流场的影响。 1试验系统 该模型是以4 0k A 钠电解槽一个阳极为原型， 按1 1 的比例设计，以自来水作为电解质，模拟熔 收稿日期2 0 1 4 - 0 4 1 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 0 6 4 0 2 0 ；内蒙古自然科学基金资助项目 2 0 1 0 M S 0 7 1 2 作者简介龚志军 1 9 7 7 一 ，男，内蒙古包头人，副教授． 万方数据 2 0 1 4 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 2 5 盐制钠电解槽。试验原理及装置如图1 所示，装置 包括有机玻璃模型槽、阳极气泡发生装置等。通过 调节气体流量模拟不同电流密度，通过调节液面高 度模拟不同阳极深度。冷态模拟试验槽的试验参 数气体流量4 3 0 、5 0 0 、6 0 0 、8 0 0I ，／h ；液面高度 距 阳极顶部 2 0 、3 0 、4 0 、8 01 T I F l l 。 图l试验装置原理图 F i g ．1 E x p e r i m e n t a ls c h e m a t i cd i a g r a m 采用自来水作为电解质的冷态模拟试验和工业 电解槽中电解质有一定的差别，特别是自来水的黏 度和表面张力与工业熔融电解质的黏度和表面张力 不同，所以通过准则数相等确保冷态模拟过程与实 际电解熔盐制钠工程的动力相似，进而保证气泡的 运动相似，几何相似通过使槽型结构相似。 选取相似准则数 P 1 厂- ／ 雷诺数R e r r i 一一竺竺 1 韦伯数w 炉善一p i V g L o ． 2 f ， O 式中，F 为惯性力，F 粘为黏性力，E 为表面张 力，V 。，为气泡运动速度，j 。为气泡直径， ，为流体运动 粘性系数，p 1 为流体密度，d 为流体的表面张力系数。 冷态模拟试验与工业电解槽参数对比如表1 所示。 本试验中，将压缩空气通过孔板，电解槽内阳极 气泡的生成是表面化学反应，所以本试验装置只能 表1冷态模拟试验槽与工业电解槽参数对比 T a b l e1 C o m p a r i s o np a r a m e t e r sb e t w e e nc o l d s i m u l a t i o nt e s ta n di n d u s t r i a lc e l I 模拟气泡的运动过程。压缩空气从孔板中流出，气 体迅速达到其水溶液的饱和状态，从而使气体以气 泡的形式在水中上浮。气泡在向上运动时，会对电 解质产生扰动，从而使电解槽内流场发生变化。 本试验所采用的测量系统是美国T S I 公司的 粒子成像测速仪 P I V 。该系统主要由激光器、 C C D 镜头及图像处理系统组成。激光器输出激光 波长为5 3 2n m ，最大输出功率1 2 0m J ／P u l s e ，激光 功率以及两脉冲时间间隔均可以连续地调节，C C D 相机的分辨率是16 6 0 12 2 0 像素。在试验中为避 免气泡对熔盐流场测量的影响，试验中所用的示踪 粒子是荧光粒子，平均粒径约5 肚m ，这种粒径的粒 子有较好的流动跟随性和光学散射性，对流场的跟 随性一般在9 5 ％以上。同时在C C D 前加装滤光 片，将气泡反射的激光滤掉，只剩下荧光粒子反射回 的荧光。试验测量面为阳极底部到液面的高度范围 为流场的流动。 2 试验结果与分析 2 ．1 平行于阳极的流场分析 当气体流量为4 3 0L ／h 时，液面距阳极顶部不 同高度测量的气泡周围流场如图2 所示。 图2 不同液面高度时气泡周围的流场 F i g ．2 F l o wf i e l d so fb u b b l es u r r o u n d i n gi nd i f f e r e n tl i q u i dl e v e l 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 4 年第l o 期 由图2 可以看出，在气泡的带动下气泡周围的 流体沿着气泡向上运动，到达液面后向远离阳极两 侧运动，在壁面附近的流体向下运动，在气泡左右两 侧形成两个转向相反的漩涡左侧的漩涡为逆时针 旋转，右侧的漩涡为顺时针旋转。两个漩涡中心的 位置随着液面高度的不同而改变。随着液面高度的 6 08 0l f H 1 2 0 l 埘 I d I a 4 3 0 H h 增加，漩涡中心的高度也在增加，左侧漩涡中心的高 度由6 0m m 处增加到8 5m m 处，右侧的漩涡中心 由8 0m m 处增加到9 0m m 处． 2 ．2 垂直于阳极的流场分析 当液面距阳极顶部高度为4 0m m 时，不同气体 流量下测量的气泡周围的流场如图3 所示。 1 2 0 r - t ，．■’ ，一．． | ’_ ；j √一一 - 0 0 【- ’≮≮0 j ’．j 0 r ．，一”“、、⋯ l8 0 l0 ”、‘、_ ．．．．、 乓 } ．。．一- 、- ，一一 6 0 K ≮≮‘ j ． j ”～’、”。，‘7 ，，． 4 L 二．二I 二上- L L j 二山 2 舢 6 08 0l f x J l 2 0 1 4 0l 吲 x ／m m d 8 I I ￡巾 图3 不同气体流量时气泡周围的流场 F i g ．3 F l o wf i e l do fb u b b l es u r r o u n d i n gi nd i f f e r e n tg a sf l o w 从图3 可见，在气泡的带动下气泡周围的流体 沿着气泡向上运动，到达液面后向远离阳极方向运 动，在壁面附近的流体向下运动，在阳极与壁面之间 形成一个顺时针旋转的漩涡。漩涡的中心位置随着 气体流量的不同而变化，随着气体流量的增加，漩涡 中心的高度下降，漩涡中心的高度由1 0 0m m 下降 到7 5m m 处。 3结论 1 在平行于阳极方向，随着中心气泡的上升，带 动气泡周围的流体向上运动，并在气泡两侧形成两 个漩涡。随着液面高度的增加，漩涡中心也上升。 2 在垂直于阳极方向，中心气泡的上升带动气 泡周围的流体向上运动，并在气泡与壁面之间形成 一个漩涡。漩涡中心随气体流量的增大而下降。 参考文献 [ 1 ] 刘中兴，何金辉，伍永福，等．隔膜钠电解槽流场分布的 模拟计算[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 9 2 6 3 0 ． E 2 ] 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 4 2 7 ． [ 3 ] 伍永福，李署阳，郎景丽，等．熔盐制钠电解槽电场的数 值模拟F J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 1 2 6 2 9 ． E 4 ] 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 1 2 3 ． [ 5 ] 蒋炎坤．水下排气气泡运动特性及其数值模拟研究[ J ] ． 华中科技大学学报，2 0 0 4 ，3 2 1 0 4 9 5 0 ． E 6 ] 李小明．气泡在不同液体中上升速度的试验研究[ J ] ．西 安交通大学学报，2 0 0 3 ，3 7 9 9 7 1 9 7 4 ． 1 - 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