氯堿工業(yè)離子膜電解槽內(nèi)氣液相返混研究

張 麗 ，岳春佳 ，由 鋼 ，李佑平 ，劉秀明 ，劉國楨 ，劉云義

（1.沈陽化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142；2.藍星（北京）化工機械有限公司，北京 100176；3.藍星沈陽輕工機械設(shè)計研究所，沈陽 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、槽板處氣體體積分數(shù)等參數(shù)評價電解槽性能時，各項參數(shù)之間存在著相互重復(fù)或者矛盾關(guān)系，沒有一個明確的標準值可以全面、準確、直接地用于電解槽性能評價。在離子膜電解槽運行過程中，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，從而影響電解過程的經(jīng)濟性和電解槽的使用壽命。鑒于此，本文對電解槽內(nèi)不同操作參數(shù)下氣液相返混程度進行研究，并提出以氣液相返混程度作為電解槽設(shè)計參考。

返混是指反應(yīng)器內(nèi)不同停留時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)停留時間不同，存在返混。電解槽內(nèi)較大的液相返混，有利于促進槽內(nèi)鹽水濃度均勻，有利于延長離子膜的使用壽命。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)，這說明氯氣在槽內(nèi)存在停留時間分布。電解槽頂部滯留的氯氣會對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。

返混程度可通過測定反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時間分布，進而選取合適的反應(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)計算軟件，對電解槽內(nèi)氣液相停留時間分布進行了研究；采用多釜串聯(lián)模型，對電解槽內(nèi)氣液相返混程度進行了定量描述，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

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

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)格劃分和計算求解，將電解槽陽極室單個格柵的結(jié)構(gòu)和邊界條件進行了簡化處理，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、標準k-ε湍流模型、組分輸運模型和自定義反應(yīng)速率模型，對電解槽內(nèi)氣液相流動進行穩(wěn)態(tài)模擬。采用一階迎風(fēng)格式對控制方程進行離散，選用標準壁面函數(shù)對壁面進行加強處理。收斂條件為能量方程殘差小于10-6，組分運輸方程殘差小于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，對電解槽內(nèi)氣液相停留時間分布進行模擬研究。分別以氫氣和Na2SO4為示蹤劑，采用非穩(wěn)態(tài)計算模型，對氣液相停留時間分布進行數(shù)值模擬。在氣、液相返混數(shù)值模擬中，時間步長分別設(shè)定為（10-2）s和10 s。在脈沖法注入示蹤劑的同時，在出口處設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測示蹤劑的濃度隨時間的變化情況。

改變氣液相進口流量，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應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 氣液相流量與電流密度對應(yīng)關(guān)系

1.4 數(shù)據(jù)處理

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

停留時間分布密度函數(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)的液相停留時間分布密度函數(shù)見圖3。從圖3可以看出，隨著電流密度增大，停留時間分布密度函數(shù)出峰越早，說明液相平均停留時間越短；隨著電流密度增大，停留時間分布密度函數(shù)峰形越尖銳，說明液體停留時間分布較集中，偏離平均停留時間的程度越小，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。這說明電流密度越大，電解槽內(nèi)液體返混越小，其流動模式越偏離完全混合流，而趨向活塞流。由此說明，當(dāng)增大電流密度時，電解槽內(nèi)的液相混合程度降低，這將對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。當(dāng)電流密度為5 kA/m2時，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，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)的氣相停留時間分布密度函數(shù)見圖5。從圖5可以看出，氣相停留時間分布密度函數(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)

停留時間較短；在較低位置引入的示蹤劑后出峰，停留時間較長。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，模型參數(shù)N較大，此時氣相返混較小，氣相流動模式偏向活塞流；而當(dāng)電流密度為4 kA/m2、5 kA/m2和6 kA/m2時，模型參數(shù)N較小，此時氣相返混較大，氣相流動模式偏向全混流。當(dāng)電流密度為6 kA/m2時，模型參數(shù)N為1.156，氣相返混達到最大值。值得指出的是，較大的氣相返混有利于氣液相混合，但同時也會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)體積對于電解槽設(shè)計更為重要。

3 結(jié)論

利用流體力學(xué)計算軟件對零極距自然循環(huán)離子膜電解槽內(nèi)氣液相停留時間分布進行了研究，考察了電流密度對電解槽內(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，返混程度達到最大。

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

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

［3］李書聲，王奎升，孫振熙，等．38DD350型電解槽陽極流場分布對鈦板點蝕的影響．氯堿工業(yè)，2009，45（4）：41－43．