張 麗 ，岳春佳 ，由 鋼 ，李佑平 ，劉秀明 ，劉國(guó)楨 ，劉云義

（1.沈陽(yáng)化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110142；2.藍(lán)星（北京）化工機(jī)械有限公司，北京 100176；3.藍(lán)星沈陽(yáng)輕工機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

電解槽是離子膜法制堿的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)鹽水濃度和氣體分布情況顯著影響離子膜的使用壽命。在離子膜電解槽研究工作中發(fā)現(xiàn)，采用循環(huán)量、膜面離子濃度、槽板處氣體體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)評(píng)價(jià)電解槽性能時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)之間存在著相互重復(fù)或者矛盾關(guān)系，沒(méi)有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)值可以全面、準(zhǔn)確、直接地用于電解槽性能評(píng)價(jià)。在離子膜電解槽運(yùn)行過(guò)程中，返混程度直接關(guān)系到槽內(nèi)氣液相濃度分布和溫度分布，進(jìn)而影響電解反應(yīng)速率和反應(yīng)產(chǎn)物分布，從而影響電解過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和電解槽的使用壽命。鑒于此，本文對(duì)電解槽內(nèi)不同操作參數(shù)下氣液相返混程度進(jìn)行研究，并提出以氣液相返混程度作為電解槽設(shè)計(jì)參考。

返混是指反應(yīng)器內(nèi)不同停留時(shí)間的物料之間的混合。返混程度越大，其內(nèi)物料濃度越均勻。返混的形成因素包括物料的逆向流動(dòng)及不均勻的速度分布等[1]。在自然循環(huán)的離子膜電解槽內(nèi)，由于循環(huán)板兩側(cè)氣含率不同，密度差引起了液體的大量循環(huán)，從而使液體在電解槽內(nèi)停留時(shí)間不同，存在返混。電解槽內(nèi)較大的液相返混，有利于促進(jìn)槽內(nèi)鹽水濃度均勻，有利于延長(zhǎng)離子膜的使用壽命。研究表明[2]，在電解槽頂部存在氯氣累積，形成氣相滯留區(qū)，這說(shuō)明氯氣在槽內(nèi)存在停留時(shí)間分布。電解槽頂部滯留的氯氣會(huì)對(duì)離子膜的使用壽命和電解槽的腐蝕產(chǎn)生不良影響[3]。因此，良好的電解槽設(shè)計(jì)要盡可能增加液相返混，減少氣相在槽頂部的滯留體積。

返混程度可通過(guò)測(cè)定反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時(shí)間分布，進(jìn)而選取合適的反應(yīng)器模型，由模型參數(shù)定量描述。本文采用脈沖法，利用流體力學(xué)計(jì)算軟件，對(duì)電解槽內(nèi)氣液相停留時(shí)間分布進(jìn)行了研究；采用多釜串聯(lián)模型，對(duì)電解槽內(nèi)氣液相返混程度進(jìn)行了定量描述，考察不同電流密度下氣液相返混的情況。

1 模型及研究方法

1.1 模型

以藍(lán)星（北京）化工機(jī)械有限公司零極距自然循環(huán)離子膜電解槽陽(yáng)極室的單個(gè)格柵為研究對(duì)象，建立陽(yáng)極室單個(gè)格柵的三維模型，同時(shí)建立氣相和液相示蹤劑的進(jìn)口區(qū)域。本文氣液相停留時(shí)間分布研究中所采用的模型分別見(jiàn)圖1和圖2。為引入氣相示蹤劑，在氣相停留時(shí)間模擬模型中，設(shè)置了氣體進(jìn)口管。

圖1 液相返混研究模型

圖2 氣相返混研究模型

1.2 模型假設(shè)

真實(shí)電解槽內(nèi)質(zhì)量、能量關(guān)系以及槽體內(nèi)部加工結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了便于網(wǎng)格劃分和計(jì)算求解，將電解槽陽(yáng)極室單個(gè)格柵的結(jié)構(gòu)和邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，模型假設(shè)包括以下內(nèi)容。

（1）各格柵之間不存在物質(zhì)、能量交換；

（2）離子膜和電極網(wǎng)表面光滑，并完全重合；

（3）電流密度均勻，反應(yīng)速度恒定，沒(méi)有電極副反應(yīng)；

（4）氣泡尺寸均一。

1.3 模擬方法

采用歐拉兩相流模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、組分輸運(yùn)模型和自定義反應(yīng)速率模型，對(duì)電解槽內(nèi)氣液相流動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。采用一階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散，選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)壁面進(jìn)行加強(qiáng)處理。收斂條件為能量方程殘差小于10-6，組分運(yùn)輸方程殘差小于10-5，其他控制方程的殘差均小于10-4。

在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)電解槽內(nèi)氣液相停留時(shí)間分布進(jìn)行模擬研究。分別以氫氣和Na2SO4為示蹤劑，采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，對(duì)氣液相停留時(shí)間分布進(jìn)行數(shù)值模擬。在氣、液相返混數(shù)值模擬中，時(shí)間步長(zhǎng)分別設(shè)定為（10-2）s和10 s。在脈沖法注入示蹤劑的同時(shí)，在出口處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)示蹤劑的濃度隨時(shí)間的變化情況。

改變氣液相進(jìn)口流量，考察不同電流密度下電解槽內(nèi)氣液相返混情況，氣液相流量與電流密度對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 氣液相流量與電流密度對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)脈沖法停留時(shí)間分布測(cè)定原理，由數(shù)值模擬取得的數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)間間隔相等時(shí)，應(yīng)用以下公式，可以得到：

停留時(shí)間分布密度函數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同電流密度下液相返混的情況

不同電流密度下，電解槽內(nèi)的液相停留時(shí)間分布密度函數(shù)見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，隨著電流密度增大，停留時(shí)間分布密度函數(shù)出峰越早，說(shuō)明液相平均停留時(shí)間越短；隨著電流密度增大，停留時(shí)間分布密度函數(shù)峰形越尖銳，說(shuō)明液體停留時(shí)間分布較集中，偏離平均停留時(shí)間的程度越小，方差較小。不同電流密度下電解槽內(nèi)液相返混的多釜串聯(lián)模型參數(shù)見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，隨著電流密度增大，模型參數(shù)越大。這說(shuō)明電流密度越大，電解槽內(nèi)液體返混越小，其流動(dòng)模式越偏離完全混合流，而趨向活塞流。由此說(shuō)明，當(dāng)增大電流密度時(shí)，電解槽內(nèi)的液相混合程度降低，這將對(duì)離子膜的使用壽命和電解槽的正常操作產(chǎn)生不利的影響。對(duì)于本文所用的自然循環(huán)離子膜電解槽，槽內(nèi)液相返混的成因主要是循環(huán)板所引起的液相循環(huán)流動(dòng)。當(dāng)電流密度為5 kA/m2時(shí)，電解槽內(nèi)液相的多釜串聯(lián)模型參數(shù)為2.782。當(dāng)提高電流密度時(shí)，應(yīng)該采取額外的措施使電解槽的多釜串聯(lián)模型參數(shù)至少保持這個(gè)值。

2.2 不同電流密度下氣相返混的情況

不同電流密度下，電解槽內(nèi)的氣相停留時(shí)間分布密度函數(shù)見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，氣相停留時(shí)間分布密度函數(shù)出現(xiàn)了多峰現(xiàn)象，這是由于為了模擬電解槽內(nèi)氣體的生成，氣相示蹤劑沿電解槽不同高度引入電解槽，在較高位置引入的示蹤劑先出峰，

圖3 不同電流密度下液相停留時(shí)間分布密度函數(shù)

圖4 不同電流密度下液相返混模型參數(shù)

圖5 不同電流密度下氣相停留時(shí)間分布密度函數(shù)

圖4 不同電流密度下液相返混模型參數(shù)

停留時(shí)間較短；在較低位置引入的示蹤劑后出峰，停留時(shí)間較長(zhǎng)。在不同電流密度下，電解槽內(nèi)氣相返混的多釜串聯(lián)模型參數(shù)見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，當(dāng)電流密度為3 kA/m2、7 kA/m2和8 kA/m2時(shí)，模型參數(shù)N較大，此時(shí)氣相返混較小，氣相流動(dòng)模式偏向活塞流；而當(dāng)電流密度為4 kA/m2、5 kA/m2和6 kA/m2時(shí)，模型參數(shù)N較小，此時(shí)氣相返混較大，氣相流動(dòng)模式偏向全混流。當(dāng)電流密度為6 kA/m2時(shí)，模型參數(shù)N為1.156，氣相返混達(dá)到最大值。值得指出的是，較大的氣相返混有利于氣液相混合，但同時(shí)也會(huì)引起氣相在電解槽頂部積累。相較于增大氣相返混，采取措施減小氣相在頂部滯留區(qū)體積對(duì)于電解槽設(shè)計(jì)更為重要。

3 結(jié)論

利用流體力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)零極距自然循環(huán)離子膜電解槽內(nèi)氣液相停留時(shí)間分布進(jìn)行了研究，考察了電流密度對(duì)電解槽內(nèi)氣液相返混程度的影響。得出以下結(jié)論：

（1）隨著電流密度增大，電解槽內(nèi)液相返混程度降低；

（2）電解槽內(nèi)氣相返混隨著電流密度的增大先增大，后減小，在電流密度為6 kA/m2時(shí)，返混程度達(dá)到最大。

［1］金雙鳳．改進(jìn)Scheibel萃取塔停留時(shí)間分布研究．浙江大學(xué)，2015．

［2］岳雯婷，張 麗，劉秀明，劉國(guó)楨，劉云義．電流密度對(duì)氯堿工業(yè)離子膜電解槽傳遞特性影響．化工學(xué)報(bào)，2015，66（3）：915－923．

［3］李書(shū)聲，王奎升，孫振熙，等．38DD350型電解槽陽(yáng)極流場(chǎng)分布對(duì)鈦板點(diǎn)蝕的影響．氯堿工業(yè)，2009，45（4）：41－43．