摘要：氯碱工业作为化工业原材料产业，主要是制碱、氯气以及氢气为主要业务。目前随着化工业的不断发展，逐渐应用于造纸、冶金、石油等各化工企业。本文利用计算流体动力学软件，分析电流密度对气液两相再混合程度的影响。实验结果显示，随着电流密度的增加，电解池中液相的反混合程度降低。随着电流密度的增大，电解池内的气相回流先增大后减小。当电流密度为6kA/m2时，回流混合程度达到最大值。
关键词：氯碱工业；离子膜电解槽；返混
1离子膜电解槽概况
氯碱制碱方法主要是依靠离子膜电解过程，其中离子膜电解槽组成十分简单，具体可分为阴极阳极、离子交换膜、电解槽框架以及导电铜棒等，每个单元由串联或并联连接的多个单元槽组成。
其中阳极以为金属钛钢，并且在表面镀有活性涂层，最初电解槽阴极是含镍涂层的碳钢网，后来改进为含有催化剂活性涂层的镍基片。离子交换膜将电解槽分为两个阴、阳两个极室，但是因为最初选用的材料容易受到腐蚀，无法大规模使用，所以没有在工业上广泛应用，但在20世纪6、70年代，有关离子膜交换膜方面已经取得了一定的进步，为离子膜制碱在化工生产中的应用打下了坚实的基础。
离子膜电解法经过几十年的生产实践，因为工艺简单、产量高、质量高、无污染、低能耗等诸多优点，已经取代了汞碱和隔膜烧碱，是氯碱工业发展过程中的一大进步，堪称里程碑式的进步。
离子膜制碱生产中，电解槽阳极端处于十分恶劣的环境中，电解过程中的高温和潮湿环境加剧了阳极的腐蚀。阳极涂层的不连续侵蚀将导致阳极涂层的断裂被断开。电解槽阳极理论分解电压对于整个电解槽运行能耗以及稳定性都会造成一定的影响，所以，提高阳极性能能够有效改善电解槽整体运行效率。
降低离子膜电解槽阴极电解能耗是继离子膜电解槽阳极改进后的一个重要问题。
电解槽阴极能耗同样也是电解槽需要重点关注问题之一。电解槽阴极构成主要有两方面，一方是镍基材，另一方面是贵金属以及相关氧化物等。其中镍基材想要增加活性的方法主要在于增加其表面积，以及电化学活性，具体可通过加入微量元素、改善晶粒尺寸、调整处理方式等等。活性涂料的研究包括活性成分的选择、活性涂料的涂布方法、活性涂料的制备条件等。阴极性能和使用寿命还有很大的改进空间，是今后离子膜电解槽节能降耗的又一有效途径。
2研究方法
采用欧拉两相流模型、标准k-ε湍流模型、元件输运模型和自定义反应速率模型对电解槽内气液两相流进行模拟。采用一阶逆风方案离散控制方程，采用标准壁面函数加强壁面。研究了气液两相流的流率变化分析不同电流浓度下的气液混合情况。气液两相流与电流密度之间的关系如表1所示。
3结果与讨论
3.1不同电流密度下的液相返混
在不同的电流密度下电解槽中液相停留时间分布的密度函数如图1所示。。
图1 图2
从图1中可以看出，随着电流密度的增加，函数峰值越早，停留时间越短。电流密度一旦增加，停留时间分布的密度函数的峰值形状变得更加明显。图2示出了不同电流密度下，不同电解槽中液相回流混合反应器的系列模型参数。
如图2所示，电流密度越大，模型参数越大。这表明，电流密度越高，电池内的液体返混越小，流动模式越偏离完全混合流动，并趋于活塞流。由此可见，当电流密度增大时，电解槽中液相的混合程度降低，这对离子膜的使用寿命和电解槽的正常运行有不利影响。当电流密度为5kA/m2时，液相系列模型的参数为2.782。应该采取额外的措施来增加电流密度，至少在电解质的多釜系列模型的参数中保持这个值。
3.2不同电流密度下的气相返混
在不同的电流密度下电解槽中气体停留时间分布的密度函数如图3所示。
图3 图4
从图3可以看出，气相的停留时间分布密度函数有多个峰值，这是因为为了模拟生成的气体在电解池中，气相示踪剂引入细胞在不同高度的电解池，和示踪剂中引入位置第一峰值越高，停留时间相对较短。在不同的电流密度下，电解池中气相返混的多釜系列模型的参数如图4所示。
如图4所示，当电流密度为3kA/m2、7kA/m2、8kA/m2时，模型参数N较大。此时气相回流混合较小，气相流动方式倾向于活塞流。然而，当电流密度为4kA/m2，5kA/m2，6kA/m2时，模型参数N较小。此时，气相回流混合较大，气相流动方式更倾向于全混合流。当电流密度为6kA/m2时，模型参数N为1.156，气相回流混合达到最大值。与增加大气回流混合相比，采取措施减少电池顶部气相的体积显得更为重要。
4结束语
采用流体力学软件，研究了电流密度对零极自然循环离子膜电解槽中气液两相再混合程度的影响。得出以下结论：
（1）随着电流密度的增加，电解池中液相的反混合程度降低。（2）电解槽内气相反混合先随着电流密度的增大而增大，然后减小。当电流密度为6kA/m2时，回流混合程度达到最大值。
参考文献：
[1]吴维宏 田小春 童刚等.离子膜法烧碱气相双系统并入经验[J].氯碱工业，2018（03）
[2]钟建云 王冀锋.影响离子膜法电解槽正常运行的因素及控制[J].氯碱工业，2016（09）
论文作者:严俊,
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/11/16
标签：电解槽论文; 密度论文; 电流论文; 离子论文; 阳极论文; 气相论文; 模型论文; 《基层建设》2018年第26期论文;