基于Fluent的新型平行流銅電解槽內(nèi)流場數(shù)值模擬

隨從亞，董為民，龔 夢，浦玲江，王 鑫

(昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

銅電解精煉的目的是提高粗銅產(chǎn)品的純度，用來滿足銅產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域上的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)始極片電解工藝和不銹鋼電解工藝是目前銅電解生產(chǎn)工藝的兩種主要方法[2]。如今，銅電解精煉正向著大型化、大極板化、自動(dòng)化、高效率、高質(zhì)量、低能耗、低成本的目標(biāo)逐步發(fā)展[3]，對于如何做到既不降低電流效率和不提高電解能耗，又能實(shí)現(xiàn)在高電流密度條件下維持銅電解過程穩(wěn)定生產(chǎn)非常重要[4-8]。

銅電解是一個(gè)復(fù)雜的多物理場傳遞過程，涉及流場、電場、磁場、壓力場和溫度場等[9-13]，電解液循環(huán)流動(dòng)是上述多個(gè)物理場的動(dòng)因，流場對電解槽內(nèi)離子濃度、溫度分布及陽極泥沉降等方面有著重要的意義。因此，本文以國內(nèi)某銅電解槽為原型，運(yùn)用Fluent 軟件對單側(cè)平行流、雙向平行流及新型平行流進(jìn)液方式進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察不同特征截面電解液的流動(dòng)狀態(tài)，為進(jìn)一步改進(jìn)電解槽的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)和產(chǎn)能的提高提供建議和依據(jù)[14]。

1 銅電解槽物理模型

1.1 銅電解槽結(jié)構(gòu)及參數(shù)

所研究的銅電解槽結(jié)構(gòu)如圖1所示，銅電解槽槽體為長方體，槽體內(nèi)部盛滿電解液，進(jìn)口布置在槽體的右端面，出口布置在槽體的左端面，導(dǎo)電板架設(shè)在槽體頂部，絕緣板架設(shè)在槽體邊緣，陰、陽極板以100 mm 的極間距間隔懸掛在導(dǎo)電板上，底部為10 度左右的斜面，為了方便電解周期完成后收集陽極泥等雜質(zhì)，底部分別安裝有電解液出口管和陽極泥排出管，銅電解槽主要相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 銅電解槽的結(jié)構(gòu)

表1 銅電解的主要物理參數(shù)

1.2 幾何模型的簡化及新型平行流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.2.1 幾何模型的簡化

為了保證模型構(gòu)建和數(shù)值求解能順利進(jìn)行，對電解槽進(jìn)行合理簡化如圖2所示。

圖2 簡化后電解槽幾何模型

1.2.2 新型平行流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

新型平行流結(jié)構(gòu)是在雙向平行流進(jìn)液方式的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，讓同高度的平行進(jìn)液變?yōu)椴煌叨鹊钠叫羞M(jìn)液，且兩側(cè)的進(jìn)液速度大小不同。雙向平行流與新型平均流結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 雙向平行流與新型平行流結(jié)構(gòu)對比

2 電解液流動(dòng)數(shù)學(xué)模型

2.1 基本假設(shè)與邊界條件

2.1.1 基本假設(shè)

由于銅電解過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，為了更好地分析其流場流動(dòng)狀態(tài)，作如下假設(shè)：假定電解液流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)；不考慮陽極泥沉積和氣泡的存在，因此多相流簡化為單相流；假定電解液表面為自由面；電解工藝處于穩(wěn)定狀態(tài)，壁面處采用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，即U=0、V=0、W=0。

2.1.2 邊界條件

1)入口邊界條件：入口速度為0.3 m/s。

2)出口邊界條件：出口邊界壓力為0，為平滑流出。

3)電場邊界條件：通過對傳統(tǒng)電解分析，在設(shè)置電場時(shí)采用Fluent 軟件自帶的電勢模塊進(jìn)行電場模型設(shè)置，具體為陽極板電勢為0.24 V，陰極板電勢為0 接地。

2.2 流場模型選取

雷諾數(shù)是流體力學(xué)中判斷流動(dòng)狀態(tài)的依據(jù)，電解槽中電解液的流動(dòng)狀態(tài)要通過雷諾數(shù)的大小來判斷，通常認(rèn)為雷諾數(shù)Re高于2 500 為湍流，低于2 000 為層流，計(jì)算公式見式(1)。

式中：Re為雷諾數(shù)；ρ為流體密度；?為流體特征速度；d為水力直徑；μ為動(dòng)力黏度。

由式(1)得出電解槽內(nèi)電解液流動(dòng)雷諾數(shù)Re＞4 000，整體流態(tài)為湍流，因此選擇的流場模型為湍流模型。

3 模擬結(jié)果與分析

運(yùn)用Fluent 軟件對電解槽內(nèi)電解液流動(dòng)狀況和速度方向變化進(jìn)行分析，分別得出X 截面和Z 截面電解液流動(dòng)狀況及電解液流動(dòng)方向。

3.1 單側(cè)平行流

3.1.1 X 截面電解液流動(dòng)狀況

圖4所示是垂直X軸的截面云圖，由于每塊陰極板兩側(cè)都布置兩個(gè)進(jìn)液口，進(jìn)口方式一樣，所以每塊極板間的流動(dòng)狀況極其相似，取X=247 mm 切分進(jìn)出口和極板間位置，由圖可知，單側(cè)平行進(jìn)液在靠近進(jìn)口的極板四個(gè)端面位置流速相對較高，流速在0.1 m/s 左右，而其余位置流速分布在0.001～0.01 m/s之間，隨著電解液沿極板向上流動(dòng)，動(dòng)能損失較大，在極板中部位置電解液流動(dòng)緩慢，流速在0.009 m/s。通過觀察發(fā)現(xiàn)，一部分電解液從下側(cè)進(jìn)液，以高流速狀態(tài)直接從電解槽底部和側(cè)壁流向了出口，是由于進(jìn)口布置在下側(cè)，受水壓作用電解液耗散的動(dòng)能較大，側(cè)壁和底部沒有極板隔擋，所以這種方式可以把進(jìn)口布置在電解槽上側(cè)，銅離子運(yùn)動(dòng)方向與出口方向一致。

圖4 X 截面極板間電解液速度云圖

3.1.2 Z 截面電解液流動(dòng)狀況

圖5所示是垂直Z軸的截面云圖，可以看出靠近電解槽兩側(cè)壁處的電解液流動(dòng)狀況。Z=645 mm是電解槽高度一半的位置，由圖可知靠近進(jìn)口處的流速最快，是由于初始動(dòng)能最大，電解液在電解槽兩側(cè)壁流速大，流速在0.01 m/s，而極板中部位置的流速緩慢，與X 截面的結(jié)果相對應(yīng)。電解過程中極板間的電解液需要一定程度的流動(dòng)性，該進(jìn)液方式與事實(shí)相反，可以考慮把進(jìn)口布置在上側(cè)，且噴嘴位置能延伸到極板的端部效果會(huì)比較理想。

圖5 Z 截面電解液流動(dòng)速度云圖

3.1.3 電解液的流動(dòng)方向

由圖6可以看出電解液整體的一個(gè)流動(dòng)方向，電解液的流動(dòng)方向是至下而上的，這樣會(huì)使得沉降的陽極泥容易翻滾起來，導(dǎo)致陰極銅的質(zhì)量變差，并且不利于陽極泥和貴重金屬的回收。

圖6 單側(cè)平行流下進(jìn)上出速度矢量圖

綜上所示，單側(cè)平行流的電解液從底部的供液管水平射入極板中，部分電解液從電解槽底部和側(cè)壁流向出口，但也有部分電解液沿極板向上流動(dòng)，且該部分電解液相比一端進(jìn)液的比例大，最終匯入電解槽頂部循環(huán)主流區(qū)域，進(jìn)液口數(shù)量多且進(jìn)液口間隔相等，這種進(jìn)液方式的電解液流動(dòng)狀況在每對極板間的現(xiàn)象相差不多。

3.2 雙向平行流

3.2.1 X 截面電解液流動(dòng)狀況

圖7所示是垂直X軸的截面云圖，由于每塊陰極板兩側(cè)都布置雙向雙噴嘴，極板間電解液流動(dòng)相似，則取X=247 mm 處切分進(jìn)出口和極板間電解液速度云圖分析，由圖可知，由于陰極兩側(cè)都設(shè)置進(jìn)口，進(jìn)口區(qū)流速最高，流速在0.01 m/s，新鮮電解液以高流速進(jìn)入陰陽極板，出口設(shè)置在陰極板下側(cè)，與進(jìn)口形成雙向向下旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的軌跡，總體來說，極板間的電解液流速在0.003～0.007 m/s 范圍內(nèi)，極板的中部位置和電解槽兩側(cè)的電解液流速都較大，說明該進(jìn)液方式高流速電解液大部分還是分布在電解槽側(cè)壁，而底部流速比側(cè)壁流速小得多，這樣不會(huì)擾動(dòng)已經(jīng)沉降的陽極泥，靠近極板兩端附近的電解液在極板間以較小流速向下流動(dòng)。

圖7 雙向平行流X 截面速度云圖

3.2.2 Z 截面電解液流動(dòng)狀況

圖8所示是垂直Z軸的截面云圖，它可以看出靠近電解槽兩側(cè)壁處的電解液流動(dòng)狀況。由于雙向平行流進(jìn)出口滿足對稱性，本文取1/8 分析，Z=645 mm 截面位于電解槽高度一半的位置，如圖所示，可觀察到電解液在電解槽側(cè)壁的流速較大，流速在0.01 m/s 左右，而極板間電解液流速在0.004～0.01 m/s 之間，整體電解液流速分布比單側(cè)平行流高，意味著新鮮電解液利用率高。

圖8 Z 截面電解液速度云圖

3.2.3 電解液的流動(dòng)方向

如圖9所示，電解液是由上而下流動(dòng)，所以大部分電解液向下流動(dòng)，由于該平行進(jìn)液方式在極板中部位置流速高，而極板兩側(cè)區(qū)域流速較慢，速度差會(huì)造成回流，部分電解液向上流動(dòng)，如圖9紅色框所示，不利于陽極泥的沉降。從極板間電解液整體流速總體分析，該進(jìn)液方式優(yōu)于單側(cè)平行流進(jìn)液方式。

圖9 雙向平行流極板間局部電解液速度矢量圖

綜上所述，雙向平行流進(jìn)液的入口分布在極板兩側(cè)，電解槽側(cè)壁、底部和極板中部流速較高，極板間電解液的高流速占比小，新進(jìn)電解液沒有被充分利用，部分電解液從側(cè)壁流向出口，這對極板間電解液的更換是極其不利的。與單側(cè)平行流相比，該方式有利于陽極泥的沉降，但因?yàn)樵摲绞竭M(jìn)液是每塊陰極板兩側(cè)共8 個(gè)噴嘴，數(shù)量過多，后期維修或更換非常不便，同時(shí)對加工進(jìn)出孔的要求較大，并未被廣泛使用。

3.3 新型平行流

新型平行流銅電解槽的設(shè)計(jì)是基于上述兩種進(jìn)液方式下電解液的流動(dòng)狀況進(jìn)行優(yōu)化后得到的，特別是基于雙向平行流進(jìn)液方式的改進(jìn)，在高電流密度下使得流場流速更均勻和穩(wěn)定，銅離子能及時(shí)遷移到陰極附近，縮短了電解周期，保證銅產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

3.3.1 X 截面電解液流動(dòng)狀況

圖10是新型平行流進(jìn)液電解槽垂直X軸的截面云圖(X=247 mm)，該進(jìn)液方式也是平行進(jìn)液的一種，但兩側(cè)進(jìn)液口存在200 mm 高度差，這高度的設(shè)計(jì)是根據(jù)射流的初始速度在電解液減少至零的高度，再結(jié)合極板的高度來設(shè)置。進(jìn)口區(qū)域電解液初始速度較大，流速為0.01 m/s，極板間的電解液流速也較大，流速在0.006～0.01 m/s 之間，且在極板間流速為0.01 m/s 的占比最大，說明該進(jìn)液方式的電解液極大部分進(jìn)入到極板間，對比雙向平行流進(jìn)液該方式極板間高流速占比更大、更均勻，而且只設(shè)置了8 個(gè)噴嘴出口，電解槽底部電解液流速較小，利于陽極泥的沉降。

圖10 X 截面極板間電解液速度云圖

3.3.2 Z 截面電解液流動(dòng)狀況

由圖11所示是垂直Z軸的截面云圖，看出靠近電解槽兩側(cè)壁處的電解液流動(dòng)狀況。Z=645 mm 截面可以觀察電解槽的側(cè)壁和極板間電解液的流動(dòng)狀況，電解槽的側(cè)壁流速小而極板間高流速占比大，說明電解液大部分從極板間流過，滿足設(shè)計(jì)初衷。相比上述兩種進(jìn)液方式，該方式下電解液從無阻擋區(qū)流過的比例小，彌補(bǔ)了極板間電解液流速慢的缺點(diǎn)，使電解液流均勻分布，利于銅離子遷移。

圖11 Z 截面電解液速度云圖

3.3.3 電解液的流動(dòng)方向

圖12所示為新型進(jìn)液方式下極板間電解液速度矢量圖。新型進(jìn)液方式下的電解液是從上往下運(yùn)動(dòng)的，和陽極泥沉降方向基本一致，對電解產(chǎn)出光滑致密的陰極銅有利，并且該方式進(jìn)液回流區(qū)極少，沒有向上流動(dòng)的電解液。

圖12 新型進(jìn)液方式下極板間電解液速度矢量圖

相比雙向平行流，新型進(jìn)液極板間高流速占比在80%左右，而雙向平行流極板間的高流速占比在60%左右；新型進(jìn)液的噴嘴數(shù)量少，是雙向平行流噴嘴數(shù)量的一半，特別是出口數(shù)量大大減少，每8 塊極板共用一個(gè)出口，便于后期檢修、更換；槽中電解液流速波動(dòng)較小，利于陽極泥的沉降。

4 結(jié)論

本文以國內(nèi)某銅電解槽為原型，運(yùn)用Fluent 軟件對單側(cè)平行流、雙向平行流及新型平行流進(jìn)液方式進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察不同特征截面電解液的流動(dòng)狀態(tài)，得出如下結(jié)論。

1)單側(cè)平行流的電解液流動(dòng)方向是從下至上，容易將電解槽內(nèi)沉降的陽極泥揚(yáng)起，導(dǎo)致陰極銅純度不高，并且不利于陽極泥的合理回收。

2)雙向平行流的電解液由上而下流動(dòng)，進(jìn)液方式在極板中部位置，流速高，而極板兩側(cè)區(qū)域流速較慢，速度差造成回流，使得部分電解液向上流動(dòng)，不利于陽極泥的沉降。

3)新型平行流進(jìn)液方式以雙向平行流進(jìn)液為基礎(chǔ)，兩側(cè)進(jìn)液口存在高度差，進(jìn)口處流速較高，槽底和側(cè)壁的流速緩慢，大部分電解液進(jìn)入極板間，使得極板間電解液可以及時(shí)更新。

綜合比較三種進(jìn)液方式，新型進(jìn)液方式是目前電解液進(jìn)液的較好方式。