60 kA 底部阴极稀土电解槽极距的模拟优化.doc

1、DOI：10.3969/j.issn1007-7545.2013.10.00860 kA底部阴极稀土电解槽极距的模拟优化董云芳1，刘中兴1，伍永福1，许立勇2，何金辉1（1.内蒙古科技大学 能源与环境学院，内蒙古包头 014010；2.包头钢铁集团 稀土公司，内蒙古包头 014010）摘要：以60 kA底部阴极稀土电解槽为模型，利用CFD软件模拟极距分别为80、90、100、110和120 mm时，阳极表面气体的运动速度和阴阳极之间气体的分布，并对模拟结果进行分析。结果表明，最佳极距为110 mm。关键词：60 kA稀土电解槽；数值模拟；极距；优化中图分类号：TG146.4文献标识码：A文章编

2、号：1007-7545（2013）10-0000-00Simulation and Optimization of Polar Distance in 60 kA Bottom-Cathode Rare Earth ElectrolyzerDONG Yun-fang1, LIU Zhong-xing1, WU Yong-fu1, XYU Li-yong2, HE Jin-hui1(1. School of Energy and Environmental, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, I

3、nner Mongolia ,China; 2. Rare Earth Company, Baotou Iron and Steel Group Corp., Baotou 014010, Inner Mongolia, China)Abstract：With 60 kA bottom-cathode rare earth electrolytic cell as model, the moving velocity in anode surface and concentration of gas between anode and cathode were simulated by sof

4、tware CFD with the polar distance of 80, 90, 100, 110 and 120 mm respectively. The simulation results were analyzed. The results show that the optimum polar distance is 110 mm.Key words: 60 kA rare earth electrolyzer; numerical simulation; polar distance; optimization随着人们对稀土功能材料研究的逐步深入，稀土的需求量也在日益增加。

5、稀土氧化物熔盐电解法是生产稀土金属的重要手段。现有的稀土电解槽多为上插式，规模小，虽易于管理、便于操作，但其产量低、能耗大。为大幅提高稀土金属的产量，满足社会节能减排的需求，上插式电解槽必将向着底部阴极式电解槽的方向发展。电解槽内熔盐的循环流动是电解正常进行的前提，而阳极气体的上浮则是熔盐运动的主要驱动力1-5，因此阳极气体在电解质中的分布成为影响电解的主要因素。本文以60 kA底部阴极导流式稀土电解槽为模型6，利用CFD（Computational Fluid Dynamics）软件建立气液液多相流的数学模型7-9，模拟不同极距时电解槽内阳极气体的速度和阴阳极之间气体的浓度分布。1 数学模型

6、的建立1.1 电解槽的几何模型由于该槽的对称性，为简化运算，取其四分之一作为研究对象，其结构简图和熔盐模型如图1所示。 图1 1/4电解槽几何结构图和1/4槽体熔盐模型Fig.1 Structure diagram of one quarter of cell model and model of molten salt收稿日期：2013-03-25基金项目：国家自然科学基金资助项目（51164025，51064020）；内蒙古自然科学基金项目（2011MS0703）作者简介：董云芳（1984-），女，河北邢台人，硕士研究生；通信作者：刘中兴（1963-），男，河北赵县人，博士，教授.1.2

7、控制方程槽内熔体视为不可压缩流体，数值计算采用的方程包括-湍流模型的连续性方程、动量方程、-方程等10-11。1.3 几点假设所形成的气泡为尺寸均一的球形；气泡在上升过程中，忽略升力产生的影响；忽略气泡由于碰撞产生的破碎、合并；气泡没有旋转；不考虑气泡之间的相互作用力；不考虑滑移速度。1.4 边界条件1）给定入口速度；2）气体出口为电解质表面，采用标准大气压强；3）对称面上的变量梯度为零；4）近壁面采用标准壁面函数，固体壁面采用无滑移边界。2 模拟结果的分析模拟时采用文献12中的电解质组成比例，1 050 电解时，电解质的密度为3.85 g/cm3，电解质的黏度13为4.9510-3 Pas。

8、2.1 不同极距时气体的速度矢量图x=1 140 mm面不同极距的气体速度矢量图见图2。 (a)-80 mm；(b)-90 mm；(c)-100 mm；(d)-110 mm；(e)-120 mm图2 x=1 140 mm面不同极距的气体速度矢量图Fig.2 Velocity vectors of gas on faces of x=1 140 mm at different polar distance图2表明：1）随着极距的增加，阴阳极之间电解质在增加，阳极产生气体的扩散范围增加，气体速度减小；由气体上升带动熔体的运动速度减小。这将使阴阳极表面的电解质更换速度降低，从而减低电解效率。2）极距

9、过小时，阴阳极之间电解质层较薄，气体将会扩散到阴极金属表面，在高温条件下发生二次氧化反应，造成空耗电流降低电解效率。3）气体的运动集中在阳极下表面，并且其速度沿y方向逐渐增加，最大速度出现在阳极末端。由气体上浮带动电解质的运动，因电解质本身的物理特性密度和黏度大，必然使得电解质的速度小于气体的运动速度，而阳极末端与壁面之间的电解质运动最为剧烈，为电解质的循环带来动力。2.2 x=1 140 mm面不同极距时的气体浓度分布x=1 140 mm面不同极距的气体浓度分布图见图3。 (a)-y=500 mm；(b)-y=1 000 mm；(c)-y=1 500 mm；(d)-y=1 850 mm图3

10、不同位置气体的浓度Fig.3 Concentration of gas at different positions从图3可看出：1）随着极距的增加，阴阳极之间气体的浓度减小，尤其在靠近阳极表面；极距越大，气体在电解质的扩散空间增加，这将导致气体浓度下降。2）随着极距的增加，在距阴极表面相同的位置上，电解质的含气率减小，这就减小了阳极气体在高温条件下和阴极金属之间的二次氧化反应，有利于提高电解效率。3）极距为110 mm时，距阴极表面相同位置上的含气率明显低于极距80、90、100 mm，略高于120 mm；在阳极表面，沿阳极的倾斜方向，其含气率高于其他极距时的含气率。说明阳极表面电解质的循环

11、流动带动了电解质中O2-在阳极表面聚集，使其最大程度地参与电解反应，有利于电极效率的提高。3 结论1）利用FLUENT流体软件模拟极距变化时熔体的流动情况，能够直观地观察电解过程中熔体的流动变化趋势，为该电解槽的建立提供可行方案。2）对于60 kA底部阴极电解槽，最佳极距为110 mm，此时既能保证电解质的循环流动，又减少了阴阳极之间的二次反应，提高电解效率。参考文献1 刘中兴，张惠，伍永福，等. 40 kA制钠电解槽流场的模拟研究J. 有色金属(冶炼部分)，2012(9)：24-27.2 张作良. 10 kA底部阴极稀土电解槽电场和流场的数值模拟研究D. 包头：内蒙古科技大学，2010.3

12、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J. 稀土，2002，23（6）：65-66.4 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)，2004(6)：35-37.5 刘中兴，刘宇新，杨晓亮，等. 稀土电解槽电极间距的模拟优化J. 有色金属(冶炼部分)，2011(1)：23-25.6 伍永福，刘中兴，李保卫，等. 底部阴极导流式稀土电解槽：中国，CN201722432UP. 2011-01-26.7 Hasan A R, Kabir C S. A new model for two-phase oil/water flow: productio

13、n log interpretation and tubular calculationsJ. SPE Production Engineering，1990，5（2）：193-199.8 Bonizzi M, Issa R L. On the simulation of three-phase slug flow in nearly horizontal pipes using the multifluid modelJ. International Journal of Multiphase Flow，2003，29(11)：1719-1747.9 Konig C S, Sutherlan

14、d I A. Numerical modeling of liquid-liquid flow related to countercurrent chromatography(CCC)J. Advances in Fluid Mechanics, Computational Methods on Multiphase Flow II, 2004，37：63-73.10 Mandin Ph, Ait Aissa A, Roustan H, et al. Two-phase electrolysis process: From the bubble to the electrochemical cell propertiesC/Chemical Engineering and Processing，2008(47)：1926-1932.11 Spiclra P, Dias M M. Gas-liquid flow in a 2