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制钠电解槽结构优化的模拟研究

作　者: 何金辉
导　师: 刘中兴
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 工程热物理
关键词: 制钠电解槽隔膜阳极开孔流场
分类号: TF826.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来，随着我国核电事业的发展以及新型材料的研发和应用，对金属钠的需求越来越高，金属钠已成为国民经济发展中重要的资源。然而金属钠的制取主要采取熔盐电解的方式，耗能比较高。世界上领先的制钠技术是美国和法国的熔盐电解制钠工业电解槽，然而其内部结构、工艺条件及相关设计理论依据均处于保密状态。我国的制钠技术落后主要是由于我国制钠工业起步较晚，底子薄以及基础理论落后造成。落的后制钠工艺，制约我国制钠工业的进一步发展，同时也制约着相关行业的进一步发展。现在虽然有了很大的进步，但是距世界先进的制钠技术还有较大差距。所以研究先进制钠电解槽技术，有利于降低能耗，提高我国的的制钠技术，促进经济的可持续发展。制钠电解槽内部存在着多种复杂的物理场，如流场、电场以及温度场等。其中电解槽内部流场的好坏直接关系着电解过程是否能够顺利进行。然而目前研究制钠电解槽的资料较少，本文借鉴前人在铝电解槽、镁电解槽及稀土电解槽等方面的研究经验，建立相应的数学模型，采用CFD软件对40KA制钠电解槽的四分之一的槽型结构的流场进行了三维模拟计算，目的为制钠电解槽的优化提供合理而又科学的理论依据。本文的具体工作主要由以下几项：（1）通过对制钠电解槽内气-液-液三相流的研究表明：气泡和钠液在阴阳极之间上浮的过程中有接触的机会，熔盐电解质在循环流动的过程中有大涡流产生，不利于电解的进行，需增大阴阳极间距或添加隔膜，以及进行阳极开孔。（2）通过阳极开孔与不开孔的对比研究表明：阳极开孔可明显促进气泡、钠液的上浮流动和熔盐的循环流动，可减小产生的涡流，有利于电解的进行。（3）通过对不同阳极开孔开孔角度的对比研究表明：15度的阳极开孔对促进气泡、钠液的上浮及熔盐电解质的循环流动最佳，对电解过程更有利。（4）通过对加入隔膜的制钠电解槽内流场的研究，得出了气泡和钠液分别在阳极外表面到隔膜之间和阴极至隔膜之间向上流动，电解质主要在隔膜与阳极之间区域流动，隔膜可以有效减小涡流的形成，促进电解质的更好的循环流动。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
引言  8-9
1 文献综述  9-22
  1.1 制钠电解槽的研究背景  9-14
    1.1.1 制钠工业的发展现状  9-10
    1.1.2 金属钠在工业中的应用  10-11
    1.1.3 我国制钠电解槽技术水平  11-12
    1.1.4 制钠电解槽的问题及研究现状  12-13
    1.1.5 有色冶金行业流场的研究现状  13-14
  1.2 制钠电解槽电解工艺  14-20
    1.2.1 电解原理  14-16
    1.2.2 氯化物熔盐电解的特点  16-17
    1.2.3 电解的经济指标  17-18
    1.2.4 影响电解的因素  18-20
  1.3 在冶金电解槽研究中中商业软件的应用  20-22
2 课题研究目的和内容  22-25
  2.1 课题研究目标  22
  2.2 课题研究意义  22-23
  2.3 研究内容  23
  2.4 课题的创新点  23-24
  2.5 方案的选择  24-25
3 制钠电解槽内无隔膜的流场研究  25-57
  3.1 对象描述  25-26
  3.2 流场计算的前提条件  26-35
    3.2.1 气泡停留时间的推导、阴极金属质量流量及气泡速度的计算  26-30
    3.2.2 气-液-液-三相流的模型选择  30-32
    3.2.3 基本假设  32-33
    3.2.4 边界条件  33
    3.2.5 制钠电解槽的流场数学模型  33-35
  3.3 制钠电解槽内气-液-液三相流的研究  35-42
    3.3.1 制钠电解槽内气泡流动分布的研究  35-38
    3.3.2 制钠电解槽内钠液流动分布的研究  38-40
    3.3.3 制钠电解槽内熔盐流动的研究  40-42
  3.4 阳极开孔对制钠电解槽流场影响的研究  42-49
    3.4.1 阳极开孔对气泡流动分布影响的研究  42-45
    3.4.2 阳极开孔对钠液流动分布影响的研究  45-47
    3.4.3 阳极开孔对熔盐流动影响的研究  47-49
  3.5 阳极开孔角度对制钠电解槽流场影响的研究  49-56
    3.5.1 不同阳极开孔角度对气泡流动影响的研究  49-52
    3.5.2 不同阳极开孔角度对钠液流动影响的研究  52-54
    3.5.3 不同阳极孔角度对熔盐流动影响的研究  54-56
  3.6 本章小结  56-57
4 隔膜对制钠电解槽流场影响的研究  57-63
  4.1 对象描述  57
  4.2 基本假设  57-58
  4.3 边界条件  58
  4.4 数学模型  58-59
  4.5 隔膜加入制钠电解槽的气-液-液三相流的研究  59-62
    4.5.1 隔膜对气泡流动影响的研究  59-60
    4.5.2 隔膜对钠液流动影响的研究  60-61
    4.5.3 隔膜对熔盐电解质流动的影响的研究  61-62
  4.6 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-70
在学研究成果  70-71
致谢  71

制钠电解槽结构优化的模拟研究

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