稀土电解槽电极间距的模拟优化.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年1 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 1 ．0 0 7 稀土电解槽电极间距的模拟优化 刘中兴1 ，刘宇新1 ，杨晓亮2 ，刘宇慧2 ，辛然3 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 ．宝钢集团巴润矿业公司，内蒙古包头0 1 4 0 8 0 ； 3 ．包头市燃气有限公司，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要采用多相流范畴的欧拉模型，以3k A 钕电解槽为模型，着莺研究了电解槽正常工作情况下，不同 电解槽电极间距时气体在熔场内的分布情况，并对得到的结果进行了分析。 关键词稀土电解槽；流场；数值模拟 中图分类号T G l 4 6 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 1 - - 0 0 2 3 0 3 T h eS i m u l a t e dO p t i m i z a t i o nf o rt h eE l e c t r o d eD i s t a n c e o fR 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 ，L I UY u - x i n l ，Y A N GX i a o - l i a n 9 2 ，L I UY u - h u i 2 ，X I NR a n 3 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 gI 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 ．B 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 ；3 ．B o t o uG a sL t d ．，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h eE u l e rm u l t i p h a s ef l o wm o d e l s ，t h eg a sd i s t r i b u t i o ni nt h em e l t i n gp o o la td i f f e r e n te l e c t r o d ed i s t a n c ei ss t u d i e du n d e rt h en o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o n so f3k An e o d y m i u me l e c t r o l y t i cc e l l s ． 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 ；F l u i df i e l d ；A n a l o gs i m u l a t i o n 稀土钕氧化物融盐电解法是生产钕金属的重 要手段。在电解过程中，在一定时间内，槽顶部区域 在一定的高度上会有气体存在。同时阴极与阳极包 围的区域内，因为气体的上浮运动，也改变流场的状 况，影响金属钕的收集。本文以3k A 圆形稀土钕 电解槽为例，通过建立更加贴近实际生产的多相流 数学模型，对气体在电解槽内的体积分布情况进行 了计算，并对计算结果进行分析。 1 数值计算 假设气体均匀产生于阳极外表面。电解槽为圆 柱形状的轴对称结构，选取二维的液一液两相流数 学模型。 1 ．1 数学模型 电解槽内阳极气体在电解质中上浮运动是典型 的气一液两相流动。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 ] ，给定其速度入 口进入电解质。本文采用两相流范畴的欧拉模型对 电解槽内的气液两相流动进行数值计算。 1 ．2 控制方程 数值计算采用的方程包括连续性方程、每一相 的动量方程、允许每一相以不同速度运动的滑流速 度方程、第二相体积分布方程、以及混合物的湍流方 程等L 2 - 3 J 。 1 ．3 边界条件 根据钕在单位时间内的生成量[ 4 ] ，给定气体沿 阳极极表面的速度人口，上表面设置为压强边界，轴 线为对称边界，其他为壁面边界。公式中其他参数 均来源于文献L 5 _ 1 2 J 。 2 计算结果与分析 2 ．1 不同电极阳极内径时的气体流场分布 图1 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 2 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年1 期 图1不同阳极内半径的气体流场分布 F i g ．1 T h eg a sf 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 ta n o d ei n n e rd i a m e t e r I a 0 ．0 7 5m ， b 0 ．0 9m 。 c 0 ．1 0m ， d 0 ．1 2m 图l 表明 1 随着阳极内径的扩大阳极内壁 的流动强度增强，这样使得熔盐更好的回流流向阴 极，有利于电解槽内熔盐的循环更新。而且，阳极内 壁和槽壁之间的流动强度增强，这样阳极与槽壁之 间的流动效果更加均匀，有利于整个电解槽熔体温 度和成分的均匀，使得阳极和槽壁之间的熔体更好 的参与电解反应过程，有利于提高电解效率； 2 极 间距变化的流场来看极间距的增加使流动缓慢，有 利于电解反应。 2 ．2 不同电极阳极内径时的气体浓度分布 图2 图2 表明 1 气体的运动发生在电解槽的上部，并且上部 气体的运动速度要比下部的大； 2 电解质的速度不如气泡的速度大，其原因是 电解质完全是在气泡上浮带动下产生的，由于电解 质本身的物理性质 电解质密度和黏度大 ，导致其 速度必然不如气泡的速度大； 3 阳极内半径为0 ．1 2m 气体流场分布图形 与前面阳极内径的流场有较大差别，可见阳极内径 过大对流场的影响也很大，很难保证阴极流场分布 的水平，影响电解过程的进行，所以阳极不宜过大； 4 当阳极内径变大时，气泡浓度峰值变小，也 就是气泡浓度降低，导致作为熔体流动的主要驱动 力的气泡浮力的降低，故熔体流速下降，流动强度降 低，这对金属钕的的收集是有利的，但不利于熔体温 度和成分的均匀。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年1 期2 5 3结论 I a 倒1 ．1 8 42 f I3 I 一内半径1 1 ．1 I m 2 一内半径I ．0 9m 3 _ 内半径0 ．1 2 m 扣内半径o ．0 7 5 m ， ， o ．1 Jf } ．1 2 5O ．1 50 ．J 7 50 ．2 0I ．2 2 5 P o s i t i o I “m P o s i t i o n ／m P o s i t i o n ／m 0 ．1 1 2 1 ．I Ho ．I 胁0 ．0 81 1 1 0 l J l 2 I J l 4 J ．1 6 l J l 8 1 1 2 00 ．2 2 P o s i t i o n ／i 1 1 图2 不同Y 值时横截面气泡浓度分布 F i g ．2 T h ec r o s s - s e c t i o n a lc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fb u b b l e sw i t hd i f f e r e n tYv a l u e 1 通过利用F L U E N T 流体软件数值模拟生 产时流场变化情况，能很好的解释稀土电解生产发 生的问题，符合生产实际； 2 阳极内径的增加，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， 但阳极如果内径过大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，阳极不宜过大； 3 对于3k A 钕电解槽而言为使电解槽更好 的生产，阳极内半径保持在0 ．1m 最合适。 参考文献 [ 1 - 1 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V J ] ．稀土。2 0 0 2 ，2 3 6 6 5 6 6 ． [ 2 ] 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 ． [ 3 ] 连桂森．多相流动基础[ M ] ．杭州浙江大学出版社， 1 9 8 9 ． [ 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 ] P o z a r n i kM ，S k e r g e tL ．B o u n d a r ye l e m e n tm e t h o dh a - m e r i c a lm o d e lb a s e do nm i x t u r et h e o r yo ft W O - p h a s e f l o w [ 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 l M 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 3 1 2 ． [ 6 ] O h t aM i t s u h i r o ，S h i n d oJ u n ，A k i y o s h iM a k o t o ，e ta L 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 l0 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 ． [ 7 ] H a s a nAR ，K a b i rCNewm 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 e 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 ． [ 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 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 ． [ 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 sonM 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 ] F a i r u z o vY u r iV ．N u m e r i e 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 ． [ 1 1 ] 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 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 ，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 ，F l u i d sE n g i n e e r i n g D i v i s i o n2 0 0 1 ，2 0 0 1 ，2 5 6 2 5 1 2 5 5 ． [ 1 2 ] A 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 thT h e o r e t i c a lm o d e l [ 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 ． ㈨帅∞∞∞册椰舯∞m o 们 求、糕容基 “q孔“g小剐越● 摹、藜求基 爨、裁容器基 ∞帅跚阳鲫鲫蛳舯舯Ⅲon 掌、豁求嚣蝗 万方数据