氯化物熔盐电解槽电热场模拟分析.pdf
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1、d o i:j i s s n 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(U A )作者简介:杨钰(),女,硕士研究生;通信作者:路贵民(),男,博士,教授氯化物熔盐电解槽电热场模拟分析杨钰,冯泰熙,叶祥,路贵民(华东理工大学 盐湖资源综合利用国家工程研究中心,上海 )摘要:氯化物熔盐电解槽在电解过程中受温度影响很大,有必要对电解槽中的电热场进行分析计算.利用C OM S O L软件建立三维氯化物熔盐电解槽电热场模型,得到槽内电势和温度分布,分析电解槽的热平衡,在热平衡的基础上,计算电解槽结构参数对电热场的影响,并推导出放大方程.计算表明,缩短阴阳极间距,增大阴极高度、阴极半径、阳极半径及
2、电解质液面高度可以在热平衡的条件下提高电流强度,依据无因次关系式可进行结构优化设计或电解槽放大设计而不需要复杂的建模,可以节省计算资源.关键词:氯化物熔盐;电解槽;数值模拟中图分类号:T F 文献标志码:A文章编号:()S i m u l a t i o nA n a l y s i so fE l e c t r o t h e r m a lF i e l do fC h l o r i d eM o l t e nS a l tE l e c t r o l y z e rYANGY u,F E NGT a i x i,Y EX i a n g,L UG u i m i n(N a t
3、i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e r f o r I n t e g r a t e dU t i l i z a t i o no fS a l tL a k eR e s o u r c e s,E a s tC h i n 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,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h ee l e c t r o l y t i cp r o c e s
4、so fc h l o r i d e m o l t e ns a l te l e c t r o l y z e r,t h et e m p e r a t u r ei sg r e a t l ya f f e c t e d,s oi ti s n e c e s s a r y t o a n a l y z e a n d c a l c u l a t et h e e l e c t r i c h e a t i n g f i e l di n t h e e l e c t r o l y t i cc e l l C OM S O Ls o f t w a r e
5、w a su s e dt oe s t a b l i s hat h r e e d i m e n s i o n a le l e c t r i ch e a t i n gf i e l dm o d e lo fc h l o r i d em o l t e ns a l t e l e c t r o l y t i cc e l l t oo b t a i nt h ep o t e n t i a l a n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ec e l l a n da n a l y z et
6、h eh e a tb a l a n c eo ft h ee l e c t r o l y t i cc e l l B a s e do nt h eh e a tb a l a n c e,t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fe l e c t r o l y t i cc e l lo ne l e c t r i ch e a t i n gf i e l dw a sc a l c u l a t e d,a n dt h ea m p l i f i c a t i o ne q
7、u a t i o nw a sd e r i v e d T h er e s u l t ss h o wt h a ts h o r t e n i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e na n o d ea n dc a t h o d e,i n c r e a s i n gt h eh e i g h to fc a t h o d e,r a d i u so f c a t h o d e,r a d i u so f a n o d e a n dh e i g h t o f e l e c t r o l y t e s u r f a
8、 c e c a n i m p r o v e t h e c u r r e n t i n t e n s i t yu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h e r m a lb a l a n c e T h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fs t r u c t u r eo rt h ee n l a r g e m e n td e s i g no fe l e c t r o l y t i cc e l l c a nb ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt
9、 ot h ed i m e n s i o n l e s sr e l a t i o nw i t h o u tc o m p l i c a t e dm o d e l i n g,w h i c hc a ns a v ec o m p u t i n gr e s o u r c e s K e yw o r d s:c h l o r i d em o l t;e l e c t r o l y t i cc e l l;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n熔盐电解槽中存在电场、热场、磁场、流场、浓度场和应力场六个相互作用的物理场.电热场
10、是电解过程中的能量来源,电解槽的热平衡对电解槽的生产过程而言尤为重要.电解槽温度过高会产生热槽现象,电解液暴沸、金属燃烧,降低电流效率;温度过低会冷槽,导致电解反应无法正常进行.研究热有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)年第 期场,主要关注在能量平衡的问题上,在保证正常生产的情况下使能量消耗达到最低.能量平衡是将电解槽整体作为计算体系,以电解温度和车间环境温度为计算基础展开计算,由阳极输入电解槽的电能在以下三个方面发挥作用:)化学反应消耗;)将电解质加热至电解温度;)热损失.因此,在电流变化的情况下,需要对电解槽的温度分布进行评估.国内外学者在热
11、平衡方面进行了大量的计算研究,提供了节能降耗的思路.F E NG等利用C OM S O L构建了 k A稀土电解槽,在对不同阴阳极圆心距的温度和电场分布进行计算的基础上,得到了阴阳极圆心距位置的变化和温度场分布的关系图,并对电解槽内的温度场分布对电解反应过程的影响进行了分析,为优化电解槽结构提供了依据.王军等则通过AN S Y S软件对 k A稀土熔盐电解槽进行温度场数值模拟,研究了电解槽半径和极间距对电解槽的影响,并根据研究结果选择了一组更合理的电解槽设计.L 等则采用AN S Y S方法,研究了阴阳极间距和电解质液面高度对 k A稀土电解槽的影响,研究发现,随着阴阳极间距的增大,电解槽电压
12、和温度也会上升;随着电解质高度的上升,温度会升高但电解槽电压会降低.在综合评估后,可以选择热场分布更合理、电 压 降 低、能 耗 低、使 用 寿 命 更 长 的 方 案.S UN 等采用有限元方法绘制出了三维 k A镁电解槽半模型结构.结果表明,当电流为 k A时,只要调整电解液的深度及阴阳极的相对位置,就能控制电解槽的热量平衡.L I U等系统研究了镁电解槽的结构参数,发现在一定范围内,阴极间的距离对减小电阻的压降、提高电流强度有很大的作用.T AO等使用三维热电模型计算阴极电流分布,发现具有垂直集电极棒的金属垫的水平密度较低,说明当极距控制在一定范围内时,它会产生微小的金属湍流.HOU等
13、采用B o x B e h n k e n设计和期望方法优化了氧化铝电解槽的工艺参数.通过选择电解液温度、氧化铝含量、电流温度和氧化铝温度作为设计参数,并以累积溶解氧化铝含量和与目标含量的相对偏差作为指标确定了最佳操作参数.另外,交互影响结果表明,提高温度和降低电流有利于获得更均匀的氧化铝分布.使用开源平台O p e nF OAM建立了一个涉及电热场和传质的 k A铝电解槽溶液模块,并确定了最佳进料量等因素.该模型和方法可 为 大 型 铝 电 解 槽 的 设 计 提 供 指 导.L E E等 研究了使用熔盐电解法生产金属钕的过程,同时研究了氩气流动对电流效率的影响,发现在电解液中注入氩气可以提
14、高电解槽性能.GA L A S HE V等 使用AN S Y S软件设计了七种不同的电解槽,用于在氯化锂熔盐中加入氧化锂对废核燃料进行再处理.通过衡量温度场、电流密度和电势的分布,确定了最佳电解槽设计方案,以达到最佳的温度和电解特性.在所有影响因素中,电极的相对排列位置和阳 极 厚 度 对 电 解 槽 的 性 能 影 响 较 大.李 文 英等 以 k A柱型上插阳极锂电解槽为对象,分析各结构参数对热量分布的影响规律,为设计放大电流电解槽提供理论依据.在其他物理场的研究方面,李文英等 建立电解质氯气气液两相流二维模型,研究了电流密度均匀与 否 对 气 体 分 率 和 液 相 速 度 的 影 响.
15、吴 荔 荔等 建立了锂电解槽气液两相流模型,分析了槽电压、电流密度和流场分布规律.同时,基于 k A锂电解槽的研究,对 k A电解槽进行结构参数优化,并进行电热、磁场和流场耦合计算.结果表明,在热平衡的前提下,与 k A电解槽相比,k A电解槽的磁场分布更加稳定,而温度场的变化也不明显.本文在上述研究基础上,通过C OM S O L软件建模,采用数值模拟的方法,设计 k A柱形电解槽电热场模型,得到槽内电势和温度分布,分析电解槽的热平衡,发现槽体散热是以辐射散热为主,对流散热为辅,同时在热平衡的基础上,重点考察电解槽阴阳极间距、阴极插入深度、阳极半径、阴极半径、电解质液面高度等结构参数对热平衡
16、的影响,并推导出电解槽放大方程,为优化电解槽结构、提高电流效率、降低能耗提供理论依据.模型的建立及网格划分 物理模型的建立物 理 模 型 包 括 石 墨 阳 极、阴 极、阴 极 臂、mm(目)的 钢制成的隔膜、电解质、水泥内衬层、耐火砖、保温砖、槽壳、石棉制成的保温网、铜排、槽盖等,如图所示.年第 期有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)图电解槽三维结构模型F i g T h r e e d i m e n s i o n a l s t r u c t u r em o d e l o f e l e c t r o l y z e r 电热场控
17、制方程及边界条件电场的数学模型是建立在麦克斯韦方程组基础上的,经推导简化后得到电解槽中的拉普拉斯方程:()展开可表示为:xxxyyyzzz()式中,表示电位(V);x、y、z分别为x、y、z方向的电阻率(m).求解式()可以得到某节点的电位值,通过场强与电位之间的关系(Eg r a d)可以得到该节点的场强.在忽略流动和非静电力的条件下:J E()式中,J为电流密度(A m);为电解质电导率(S m);E为电场强度(V m).一般情况下,接触电压及实际中电解电解液所需的电压基本保持不变,将其余部分用函数表达式带入热平衡方程中.热平衡方程如下:WsHQs()式中,Ws为单位时间内输入电解槽的能量
18、(W);H为电解槽单位时间内反应耗散的能量(W);Qs为槽体热损失部分的能量(W).WsUI()式中,U为外界施加给电解槽的总电压(V);I为外界输入电解槽的总电流(A).在温度场中,根据能量守恒定律,电解槽内组分的热传导符合含热源的能量方程:(T)qsCpTt()式中,为各部件的导热系数(W(mK);qs为热源(W m);为所使用的材料密度(k g m);Cp为恒压热容(J(k gK);T为温度(K);t为时间(s).将上述 方 程 简 化 为 带 有 热 源 的 经 典 泊 松 方程,即:CpTt()式()可简化为:(T)qs()在电解槽的实际运行中,电场和热场相互作用,电场通过产生焦耳热
19、影响热场,同时会影响材料的电导率,所以热场也会反作用于电场,材料在电场中的电导率被表示为温度的函数.Wf a c tWt h e o r y()其中,为电流效率();Wf a c t为实际上电解槽生产金属的量(k g h);Wt h e o r y为理论上电解槽生产金属的量(k g h).总电压包括平衡电位、过电压和总电阻电压.其中,总电阻电压为阳极分压,阴极分压,电解液分压和由接触电阻造成的压降.UZUCUAUEUJEPEr()式中,UZ为总电压(V);UC、UA、UE分别有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)年第 期为阴极压降、阳极压降、电解质
20、压降(V);EP为平衡电位(V);Er为过电压(V).为了结合模拟和实际情况,我们将材料间的接触电压降取经验值 V.QQN a C lQC lQN a()QrIEPQb()HQQr()式中,Q表示将产物金属以及氯气移出电解槽时带走的热量以及将电解原料从车间温度加热至反应温度时所需的热量(J);Qr表示分解金属所需的电能以及束缚能(J);Ep熔融纯氯化物分解电压,Ep V.热平衡方程可变形为:WSI(UCUAUEUJ)IEPIEr()从式()可以看出,输入电解槽的电能WS(W)主要消耗于焦耳热I(UCUAUEUJ)、电解金属IEP以及过电压产生的热IEr.求解上述控制方程,需要设定一定的初始值以
21、及边界条件.电场的边界条件)阳极终端加载 k A电流:nJJn()阴极臂表面接地:()其余边界均为电绝缘边界条件:nJ()热场边界条件)所有与电解质接触面设定狄利克雷边界:T K()所有外表面设定罗宾斯边界表示对流传热及辐射散失:(T)(Ta m bT)k(Ta m bT)()式中,为表面辐射系数;为对流换热项的对流换热系数(W(mK);k为玻尔兹曼常数,数值为 ;Ta m b K,为车间温度.电解槽各材料性质参数设定如表所示.表电解槽各材料性质T a b l eC o n d u c t i v i t ya n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t yo
22、 fm a t e r i a l su s e d i ne l e c t r o l y z e r材料阳极阴极电解质 耐火砖钢壳电导率(Sm)导热系数(WmK)网格划分在电解槽内均匀选取 个数据点,用于选择不同位置处的温度值,来选取电热场计算中的最佳网格数.在 个数据点中随机抽取 个温度点,以序号为横坐标,以温度为纵坐标,绘成图所示网格独立性检验.由图可知,万网格与 万网格拟合效果较差,万与 万网格拟合效果良好,因此选择 万网格进行仿真模拟.图电解槽网格划分示意图F i g G r i dd i v i s i o no f e l e c t r o l y z e r图网格独立性检
23、验F i g G r i d i n d e p e n d e n c e t e s t 结果与讨论 电场分布图为电解槽电势分布图,其中电解液电压降为 V(图(a);阴极电压降为 V(图(b);阳极电压降为 V.总电阻电压为 V(图(c),其中电解液分压占比为 ,降低其分压是降低电解槽总能耗的关键.年第 期有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)图电解槽电势分布图F i g P o t e n t i a l d i s t r i b u t i o nd i a g r a m so f e l e c t r o l y z e r 温度场
24、分布图(a)是电解槽的表面温度分布,电解槽外表面的最高温度出现在阴极臂 ,电解槽的表面温度最低为 ;图(b)为阳极的温度分布,阳极的最高温度为 ,出现在阳极中上部与电解质接触的工作区域,最低温度为 ,出现在电流输入端;图(c)为阴极温度分布,阴极的最高温度为 ,出现在与电解质接触的工作区域,阴极的最低温度为 ,出现在电流输出端;由图(d)可看出,电解质的温度在 左右,电解槽的温度分布均匀,表明运行情况良好.综上可以看出,电解槽的热损失主要发生在阴阳极外露端及槽壳,为电解槽热平衡的控制提供了理论依据.图电解槽温度分布图F i g T e m p e r a t u r ep r o f i l
25、e so f e l e c t r o l y z e r有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)年第 期 基于电流强度的电解槽结构优化在维持热平衡的前提下,计算了不同电流下结构参数的变化对热平衡的影响.使用无因次分析法 研究阴阳极间距(A C D)、阴极插入深度(H C)、阳极半径(R A)、阴极半径(R C)及电解质液面高度(HE)这五个因素对热平衡的影响.C IC IxC IA C DA C DxA C DR AR AxR AHCHCxHCR CR CxR CHEHExHE()式中,C I表示电解槽通入的电流;下标表示原 k A电解槽的参数;
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