锌电解槽内电解液流动现象的水力学和数值模拟.pdf

4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年8 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 11 ．0 8 ．0 0 2 锌电解槽内电解液流动现象的水力学和数值模拟 王建伟1 ，罗永光2 ，施哲1 1 ．昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 ；2 ．云南驰宏锌锗股份有限公司，云南曲靖6 5 5 0 1 1 摘要以云南驰宏锌锗公司的锌电解槽为基础，根据相似原理制作了相应的水模型，对其内部的流动现 象进行了研究；同时，利用商业软件F L U E N T 对锌电解槽的内部流场进行数值模拟。结果表明数值模 拟建模时采用四边形网格得到的计算结果与水力学模拟的结果相吻合，能够较真实地反映锌电解槽的 内部流场。还对不同实际工况下锌电解槽内的流场进行了研究，并提出相关建议，为进一步改善和优化 电解槽结构、扩大电解槽规模提供理论依据。 关键词锌电解槽；流动；水力学；数值模拟 中图分类号T F 8 1 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 1 0 8 - 0 0 0 4 - 0 5 H y d r a u l i c sa n dN u m e r i c a lS i m u l a t i o no fF l o wa t E l e c t r o l y t ei nZ i n cE l e c t r o l y s i sC e l l W A N GJ i a n ．w e i l ，L U OY o n g ．g u a n 9 2 ，S H IZ h e l 1 ．F a c u l t yo fM e t a l l u r g i c a la n dE n e r g yE n g i n e e r i n 8 ，K u n m i n gU 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 ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 。C h i n a ； 2 ．Y u n n a nC h i h o n gZ n O eC o ．。圳．。Q u j i n g6 5 5 0 1 1 ，Y u n n a n ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h es i m i l i t u d ep r i n c i p l e ，t h ew a t e rm o d e lo fe l e c t r o l y s i sc e l lw a se s t a b l i s h e da n dt h ef l o wp h e - n o m e n o no fw a t e rm o d e lw a sa n a l y z e dw i t ht h ez i n ce l e c t r o l y z e ro fY u n n a nC h i h o n gZ n G eC o m p a n ya st h ee x p e r i - m e n ti n s t r u m e n t ．F u r t h e r ，t h ef l o wf i e l d so ft h ez i n ce l e c t r o l y z e rw e r es i m u l a t e dn u m e r i c a l l yw i t hc o m m e r c i a ls o f t w a r eF L U E N T ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a ti na c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fq u a d - r i l a t e r a lm e s ht y p er e a s o n a b l yr e f l e c t e dt h ei n t e r n a lf l o wf i e l do fz i n ce l e c t r o l y z e r ．I n n e rf l o wf i e l do ft h ez i n ce l e c - t r o l y z e ru n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a ss t u d i e d ，a n dt h es u g g e s t i o n sw e r ep r o p o s e d ，a n dt h et h e o r e t i c a lb a s i st oi m p r o v ea n do p t i m i z et h ec e l ls t r u c t u r ea n de x p a n dt h ec e l ls i z ew a sp u tf o r w a r d ． K e yw o r d s Z i n ce l e c t r o l y s i sc e l l ；F l u i df l o w ；H y d r a u l i c ；N u m e r i c a ls i m u l a t i o n 自2 0 世纪8 0 年代以来，世界上8 0 ％以上的锌 产量是由湿法炼锌生产的⋯。在湿法炼锌工艺中， 电解占整个工艺能耗的7 0 ％以上B ’，因此，降低电 解电耗，对于湿法炼锌厂降低生产成本有着积极的 意义。目前，电解锌的节能途径有通过缩小极距， 增加槽装板数；定期通平阳极；采用孔板阳极；改进 搭接方式；改善新液质量；控制合理的电流密度；调 节好电解槽温度及酸锌比；适当使用添加剂；提高阳 极含A g 约1 ％；控制有机物进入系统；采用大循环、 作者简介王建伟 1 9 8 5 ． ，山西忻州人，男，硕士研究生． 大流量；分时用电，加强槽间管理等“ 引。这些措施 已经取得了一定的节能降耗成果。但是在锌电解过 程中，电解液循环流动的情况对电解操作过程的顺 行影响重大，而持续稳定的生产又是提高电流效率、 降低能耗的基础。所以有必要对工业上使用的锌电 解槽内部电解液的流动情况进行分析研究。 l 水模型试验 根据相似原理“ 】，采用有机玻璃制作相似比为 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年8 期 5 1 5 的电解槽水模型 除极距外 ，极距的相似比采 用l 1 。试验以水为工作介质，为了使水模型与原 型的动力相似，水模型与原型的弗劳德 F r 准数相 等。水力学模拟试验装置如图l 所示，流量 1 4 0L ／h 由流量计控制。试验中，以墨水作为示 踪剂来显示水模型内部的流场，并用照相机及摄像 机拍摄。原型与模型的动力相似参数分别为电解 液 密度13 0 7k g ／m ’、黏度2 ．6 3 1 0 一P a 。s 、流量 8 1 0m 3 ／h ，水 密度lG 0 0k s ／m ’、黏度1 ．0 0 l O ～P a s 、流量0 ．1 4 3 0 ．2 1 5m ’／b 。 睢‰ 图1 水力学模拟试验装置 F i g ．1 E x p e r i m e n td e v i c eo fh y d r a u l i c s s i m u l a t i o n 2 数值模拟 2 ．1 网格划分 本文研究电解槽水模型的中心纵截面1 ，其尺 寸为4 2 0m m 3 1 0m m 。采用C F D 中专用的前处理 程序G a m b i t 软件来建模，采用四边形网格，S u b m a p 网格划分方法，对计算区域划分网格。 2 ．2 基本假设 水的流动为非稳态粘性不可压缩流动；设置电 解槽水模型的液面为自由液面。 2 ．3 控制方程 电解槽水模型内流动行为可用连续性方程、动 量方程和标准k - e 模型的湍动能和耗散率方程进行 描述⋯引。 2 ．4 边界条件 1 进口边界采用速度入口边界条件，即假定 进口速度沿人口截面均匀分布；2 出口边界采用 自由出口边界条件，即假设所有变量的扩散通量为 0 ；3 壁面边界固体边界满足无滑移条件，近壁面 处采用了标准壁面函数；4 重力条件重力加速度 的方向沿Y 轴方向，重力加速度的值为9 ．8 1m ／s 2 。 2 ．5 数值求解 对控制微分方程组进行离散化处理，采用求解 压力方程组的半隐式法 S I M P L E 进行求解计算，动 量、能量以及湍流参数的求解采用一阶迎风格式；参 数计算残差都控制在l O “数量级。 3 计算结果与分析 3 ．1 水模型试验结果与数值模拟 为了验证模拟预测的可信性，本文把试验结果 和模拟结果作对比分析。图2 为水模型的数值计算 与试验结果，由图2 8 可知，流股中心速度逐渐减小， 但到达槽底时仍有较大的流速。水和槽底撞击后， 形成水平流动，以放射状向四周散开。由图2 b 一2 e 可知，在水平流动的过程中，同时流体具有向上流动 的趋势。在水平方向上离水口越近，流体向上流动 越强。由图2 f 可知，最后一块极板处，向上流动的 流股流速较大。 由图2 对比可看出，该数值计算与试验结果相 吻合。虽然试验结果与数值计算结果有偏差，但趋 势基本一致，其中偏差产生的因素很多，包括水口出 流不均，流动非稳态波动及随机湍流等，因而难于定 量。通过数值模拟与试验结果的对比，表明本文所 用数值模型可以较好预测电解槽水模型流动状况。 3 ．2 电解槽的数值模拟 迸一步利用该数值模型，对工业上的锌电解槽 进行数值模拟，预测工业上的锌电解槽内的流动状 况。 图3 为电解槽的速度矢量图，可以看到工况流 量分别为8 、1 0 、1 2m 3 ／h 的数值模拟结果趋势基本 相同。 图4 为水口处的流场计算结果，可以看到水口 处两侧有三个回流，而且每个回流的尺寸不同。在 水口左侧，存在一个逆时针方向且靠近自由液面的 小回流，在小回流的下方，存在一个顺时针方向的大 回流；在水口右侧，存在一个逆时针方向且靠近自由 液面的小回流。 图5 为水口附近极板间的流场计算结果，可以 看到极板间有一个个小的回流，在小的回流下面有 一个较大的回流，注意到小回流与大回流方向不同， 小回流方向是逆时针，大回流方向为顺时针；受到图 4 中水口左侧的大回流影响，使离水口最近的第一 块极板间的流体存在很大的向上流速；相对而言，其 他极板间流体的流速向上的分量较小。像这样很大 的流速，可以使新液与这些极板间的废电解液进行 万方数据 豳■l 图阿 _ 圈 - 黑凹 - 圜 - 圜 万方数据 有色金属 冶蠊部分 2 0 1 1 年8 期 圈3 锌电解槽的速度矢量图 F i g3V e l o e l t yv 群t o l r o fZ J l n Ce l e c t r o l y s i sc e l l 图4 水口处的流场计算结果【Q 1 0 m ’／h } F i g4 F l o wf i e l dc a l c u l a t e dr e s u l ti a n o z z l e IQ 1 0m ’／h 形成了一十十小的环拼【．使流体有向上流动的趋势 但是趋势较弱。这种向上的流动有助于减少死区 p l a t e sn e s tn o z z l e IQ 1 0m4 ／h 利于排出废电解液．但是像这样较弱的回流，其流动 很可能会使新电解渡难以到达自由液面附近的Ⅱ 域，死区较大。随着电解液巾锌含量的降低，相应地 古酸量增多，杂质离f 富集，死区较太会引起锌的电 流效率下降．还容易引起烧板，锌返溶或因阴阳极 之同发生氧化一还原娄反应而降低电流效率，而 且．随着电解渡温度的升高．氧超电压减小．死区较 大会加剧杂质引起的烧板及锌的返溶。这种向上的 流动也会使阳极滟难于沉淀．阳极泥长时间大最存 在于极板间，将导致阴极析出锌表面粗糙或析出树 枝状品体，这会增大阴极面积。使氢的超电压下降， 降低电淑效率。有时还会出现接触短路。在锌电解 过程中，阳极泥的大量存在还会增大电解液的电阻， 产生更多的电热效应．使电解液的温度偏高。 叫I l ，，，、 l 莨驯莨羔川 黼幽 万方数据 m 于漉动根缓慢．扳苴窖描形成死R 遗部分电解赦 阂无法流动到电槛之问．而不能参加厦直．从而造成 电解槽审M 的浪赞．减少电解槽的存皴存秘 圈7 槽头直角E 的流场计算结果 { Q 1 0m 3 ／h I F i g ．7 o wf i e l d 值l c u t a t e dr a u ] to fn 9 1 ．t - a Ⅱ醇e a r e a I n t h eh e a do rc e l l I Q 1 0 m ’／h I l 、、 、、 、、 、、、、、、’- 、一、 _ ■■ ● _ ．、’、、n _ ●■●●■一 圈8 槽尾直角区的流场计算结果 【Q 1 0m ’／h F i g8F k wf i e l dc a l c u l a t , M lr e s u l to f g I l t - H I I 昌l e a r e ai nt h ee n do fc e l l f Q l Om ’／h l 综上所述，从流体流动的i l _ 【场分m 考虑．上业 有色金描 冶炼部分 中产中的锌电解槽．尤其屉大俐电解精，儿电解椅内 电解液的流动状况有待改善，制对这种状况．提出 些建议在板板问存在死区的部位添加水口在槽 底直角Ⅸ的地区部位．将直角改为咧角结构。以达 到消除或减小死吒的日的， 4 结论 1 采用四边形罔格类型的敷值模型与水力学 模拟结果吻合较好．证明了该数值模型的准确性． 2 根据泼数值模型．对T 韭上的锌电解椎的 内部流场进行预测，发现T 业生产中的锌电解槽内 的流动状况有待改善。 毒毒文靛 I ] 8 R m 【M k “ 十冉 々m m ．2 0 0 5 5 2J } 自 ．* Ⅲ■m 电日镕n t * 目 “ * 【l 】 m 女* 2 ．2 0 0 5 ．2 4 4 2 0 8 2 1 1 3 】十女 №■* ％％* ∞* H [ J ’瑚由色H 2 0 0 52 l 1 1 7 2 0 4 ] E 自* 镕№m ∞* 自极H 【J 】瑚南m ．2 0 0 3 ．3 I 2 4 5 4 8 5 】m m ■* n 斩Ⅱ* ％目* J ] W e n 目 目* ．1 9 8 9 6 2 9 一弛 6 】 传 ≈镕自自T 序∞* 扼【J 】i e ．1 9 8 8 6 3 0 3 2 7 1A Ⅸ目．埘m 目* ＆T ＆{ 日【M ] J 匕自目 r n m m ．1 9 9 72 3 1 2 3 3 8 j i E ，{ E 4 * ％日口自镕t * * m 采∞ Ⅲ m 自救恤攫扭【J ] ＆目{ ≈．2 0 0 2 ，3 8 3 3 1 5 3 2 0 9 】I m ＆．※m ．i Ⅲ- l u n l ＆{ ≈q ＆目g 目【M 】 n 日f * ★{ m m ”，2 0 0 7 3 33 5 l o Ⅱ* 黄 F t ．e m 口月 g * * 【M ] n m * 4 ★{ m H ，2 0 0 89 一1 4 万方数据