隔膜鈉電解槽流場分布的模擬計算

1、隔膜鈉電解槽流場分布的模擬計算隔膜鈉電解槽流場分布的模擬計算劉中興，何金輝，伍永福，董云芳，李陽(內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010)摘要摘要：通過CFD軟件建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，首次利用數(shù)值方法對隔膜加入鈉電解槽內(nèi)流場的分布情況進行模擬計算。結(jié)果表明，數(shù)值模擬計算得到了隔膜鈉電解槽內(nèi)的流場分布圖，可以為先進制鈉電解槽的優(yōu)化改良提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：隔膜鈉電解槽；流場；模擬計算；CFD中圖分類號：中圖分類號：TF8

2、26.2文獻標(biāo)志碼：文獻標(biāo)志碼：A文章編號：文章編號：10077545（2013）09000000SimulationCalculationofFlowFieldfDiaphragmSodiumElectrolyzerLIUZhongxingHEJinhuiWUYongfuDONGYunfangLIYang(SchoolofEnergyEnvironmentalEngineeringInnerMongoliaUniversityofSc

3、ienceTechnologyBaotou014010InnerMongoliaChina)Abstract：AmathematicalmodelwasestablishedwithCFDsoftware.Theinternalflowfielddistributionindiaphragmsodiumelectrolyzerwassimulatedbynumericalsimulationfthefirsttime.Theresult

4、sshowthatsimulatedbynumericalsimulationtheflowfielddistributionindiaphragmsodiumelectrolyzercanprovidethetheeticalbasisfoptimizationofadvancedsodiumelectrolyzer.Keywds:diaphragmsodiumelectrolyzerflowfieldsimulationcalcul

5、ationCFD鹽法電解是目前工業(yè)上生產(chǎn)金屬鈉的主流技術(shù)[1]。先進的制鈉技術(shù)國如美國、法國等采用卡斯特鈉法和東斯法工業(yè)熔鹽電解槽，然而其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工藝條件及相關(guān)設(shè)計理論依據(jù)在文獻資料中均未公開[24]。雖然現(xiàn)在我國的制鈉技術(shù)有了長足發(fā)展，但與先進國家的差距仍非常大，嚴(yán)重制約著我國制鈉產(chǎn)業(yè)及相關(guān)工業(yè)的發(fā)展。由于熔鹽電解耗能高，如何降低能耗、提高電流效率，成為電解行業(yè)的重要研究課題之一，其中改善電解槽內(nèi)的流場是降低能耗、提高電流效率的重要

6、途徑之一[510]。電解槽內(nèi)的熔體流動，對電解效率的影響很大。電解質(zhì)流動主要是由于陽極表面生成的氣泡和陰極表面生成的鈉液滴上浮造成的[710]。本文首次采用數(shù)值方法，利用CFD軟件對隔膜放在電解槽陰陽極中間的流場分布進行模擬計算，得到相應(yīng)的流場分布情況，為研發(fā)先進的制鈉電解槽提供相關(guān)的理論依據(jù)。1數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型1.1鈉電解槽幾何模型鈉電解槽幾何模型本文以40kA制鈉電解槽為模擬計算的實際幾何原型[241112]。陰陽極都是相互嵌套的軸

7、對稱的圓環(huán)柱體，共4組，均勻分布在電解槽內(nèi)，其中隔膜位于陰陽極中間[11]。為簡化模擬計算，取槽體的14為研究對象。1.2基本假設(shè)基本假設(shè)1）沒有氣泡因碰撞發(fā)生的聚并和破碎；2）氣泡沒有旋轉(zhuǎn)；3）忽略升力產(chǎn)生的影響；4）生成氣泡尺寸均勻，都為球形；5）不考慮氣泡上升的影響；6）忽略氣泡間的相互作用；7）忽略虛擬質(zhì)量力。1.3邊界條件邊界條件1)給定入口流速；2)出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；3)近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，固體壁面采用無滑移邊界；4

8、)對稱面上變量的梯度為零。1.4數(shù)學(xué)控制方程數(shù)學(xué)控制方程隔膜鈉電解槽內(nèi)部分為隔膜部分的多孔介質(zhì)區(qū)域和非隔膜部分的自由流動區(qū)域[13]。自由流動區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型[1316]，而多孔介質(zhì)區(qū)域采用修正的湍流模型[1721](即多孔介質(zhì)模型)。該模型通過在動量方??k程中增加源項來模擬計算域中的多孔介質(zhì)材料對流體的流動阻力。源項由Darcy黏性阻力項和慣性損失項組成：（i=1，2，3）)21(3131???????jjijjjijirnn

9、CmnDS式中D和C分別是黏性阻力和慣性損失系數(shù)矩陣。收稿日期收稿日期：20130307基金項目基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51164025，51064020）；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目（2011MS0703）doi：10.3969j.issn.10077545.2013.09.008Fig.3Concentrationcontourofbubbles2.2鈉液流動分布的研究鈉液流動分布的研究從圖4和圖5可以看出，鈉液從陰極內(nèi)表面

10、生成，主要在隔膜與陰極之間的區(qū)域向上流動，流速也相對比較大，并從陰極上方區(qū)域離開電解槽。說明在電解過程中，由于隔膜阻礙了鈉液向陽極方向擴散，使其主要在陰極內(nèi)表面到隔膜之間向上流動，從個人避免與陽極氣泡接觸發(fā)生二次反應(yīng)的機會。圖4鈉液的流動云圖鈉液的流動云圖Fig.4Clowcontourofliquidsodium(a)上部放大圖上部放大圖(b)下部放大圖下部放大圖圖5鈉液的流動矢量圖鈉液的流動矢量圖Fig.5Flowvectdiagr