【摘 要】
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在氯碱生产中,离子膜电解法由于其产品纯度高、质量好、无污染等特点,被公认为是最经济、最环保的氯碱生产方法。随着氯碱需求量的增大,氯碱行业能耗过大、新型离子膜电解槽研发手段单一、研发周期长等问题日益突出。本文在现有的离子膜电解槽阳极室结构的基础上,以零极距自然循环离子膜电解槽阳极室为研究对象,利用计算流体力学方法研究了电解槽内速度场、浓度场分布及流体流动状态,为高电流密度离子交换膜电解槽的结构优化设
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在氯碱生产中,离子膜电解法由于其产品纯度高、质量好、无污染等特点,被公认为是最经济、最环保的氯碱生产方法。随着氯碱需求量的增大,氯碱行业能耗过大、新型离子膜电解槽研发手段单一、研发周期长等问题日益突出。本文在现有的离子膜电解槽阳极室结构的基础上,以零极距自然循环离子膜电解槽阳极室为研究对象,利用计算流体力学方法研究了电解槽内速度场、浓度场分布及流体流动状态,为高电流密度离子交换膜电解槽的结构优化设计提供理论指导。分析了喷射孔直径、倾斜角度在结构参数不同的条件下离子膜电解槽阳极室的流体流动状态以及传质能力。同时,还研究了导流板数量对电解槽阳极室传质过程的影响。根据仿真计算结果,设计制作了离子交换膜电解槽的实验装置,进行了氯化钠溶液电解实验,验证仿真分析结果,并进一步修正理论模型。电极—溶液界面传质过程的分析表明电极表面区域的传质速率以及气体含量对于电解反应具有重要影响,因此仿真结果的分析以距离电极面0.01mm截面的速度值、距离电极面1mm截面的气液质量比以及气液比方差为衡量指标,在电流密度为5 k A·m-2的边界条件下,喷射孔直径为3mm时选取截面的速度值最大、气液质量比最小,喷射孔直径为1.8mm时选取截面上的气液比方差最小;对于喷射孔倾斜角度,当倾斜角度为-18°时气液质量比最小,倾斜角度为-22°时气液比方差最小,且当倾斜角度为-18°和-22°时选取截面的速度值相比于原结构参数也有较大的提升;选取截面的速度值随着导流板数量的增加而增加,且导流板数量为9时气液质量比及气液比方差均达到最小值;此时电极表面区域气体分布均匀性最好,电解液的传质能力得到有效提升。根据仿真计算的结果搭建小型实验电解槽的实验装置,采用仿真计算结果较优的结构参数开展氯化钠溶液电解实验。实验结果表明,在电流密度5k A·m-2的工况条件下,相比于原结构参数电解槽,喷射孔直径为1.8mm和3mm的电解槽运行稳定后的槽电压分别降低了6m V和10m V;喷射孔倾斜角度为-18°和-22°的电解槽运行稳定后的槽电压分别降低了16m V和4m V;导流板数量增加为9时,槽电压下降了43m V,且电解槽运行初期电压达到稳定状态的用时缩短,还表明导流板的变化对于槽电压的影响显著高于喷射孔的参数变化对槽电压的影响。
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