氯碱工业离子膜电解槽内气液相返混研究

张 丽 ，岳春佳 ，由 钢 ，李佑平 ，刘秀明 ，刘国桢 ，刘云义

（1.沈阳化工大学化学工程学院，辽宁沈阳 110142；2.蓝星（北京）化工机械有限公司，北京 100176；3.蓝星沈阳轻工机械设计研究所，沈阳 110015）

电解槽是离子膜法制碱的关键设备，其内盐水浓度和气体分布情况显著影响离子膜的使用寿命。在离子膜电解槽研究工作中发现，采用循环量、膜面离子浓度、槽板处气体体积分数等参数评价电解槽性能时，各项参数之间存在着相互重复或者矛盾关系，没有一个明确的标准值可以全面、准确、直接地用于电解槽性能评价。在离子膜电解槽运行过程中，返混程度直接关系到槽内气液相浓度分布和温度分布，进而影响电解反应速率和反应产物分布，从而影响电解过程的经济性和电解槽的使用寿命。鉴于此，本文对电解槽内不同操作参数下气液相返混程度进行研究，并提出以气液相返混程度作为电解槽设计参考。

返混是指反应器内不同停留时间的物料之间的混合。返混程度越大，其内物料浓度越均匀。返混的形成因素包括物料的逆向流动及不均匀的速度分布等[1]。在自然循环的离子膜电解槽内，由于循环板两侧气含率不同，密度差引起了液体的大量循环，从而使液体在电解槽内停留时间不同，存在返混。电解槽内较大的液相返混，有利于促进槽内盐水浓度均匀，有利于延长离子膜的使用寿命。研究表明[2]，在电解槽顶部存在氯气累积，形成气相滞留区，这说明氯气在槽内存在停留时间分布。电解槽顶部滞留的氯气会对离子膜的使用寿命和电解槽的腐蚀产生不良影响[3]。因此，良好的电解槽设计要尽可能增加液相返混，减少气相在槽顶部的滞留体积。

返混程度可通过测定反应器内物料的停留时间分布，进而选取合适的反应器模型，由模型参数定量描述。本文采用脉冲法，利用流体力学计算软件，对电解槽内气液相停留时间分布进行了研究；采用多釜串联模型，对电解槽内气液相返混程度进行了定量描述，考察不同电流密度下气液相返混的情况。

1 模型及研究方法

1.1 模型

以蓝星（北京）化工机械有限公司零极距自然循环离子膜电解槽阳极室的单个格栅为研究对象，建立阳极室单个格栅的三维模型，同时建立气相和液相示踪剂的进口区域。本文气液相停留时间分布研究中所采用的模型分别见图1和图2。为引入气相示踪剂，在气相停留时间模拟模型中，设置了气体进口管。

图1 液相返混研究模型

图2 气相返混研究模型

1.2 模型假设

真实电解槽内质量、能量关系以及槽体内部加工结构较为复杂，为了便于网格划分和计算求解，将电解槽阳极室单个格栅的结构和边界条件进行了简化处理，模型假设包括以下内容。

（1）各格栅之间不存在物质、能量交换；

（2）离子膜和电极网表面光滑，并完全重合；

（3）电流密度均匀，反应速度恒定，没有电极副反应；

（4）气泡尺寸均一。

1.3 模拟方法

采用欧拉两相流模型、标准k-ε湍流模型、组分输运模型和自定义反应速率模型，对电解槽内气液相流动进行稳态模拟。采用一阶迎风格式对控制方程进行离散，选用标准壁面函数对壁面进行加强处理。收敛条件为能量方程残差小于10-6，组分运输方程残差小于10-5，其他控制方程的残差均小于10-4。

在稳态模拟的基础上，对电解槽内气液相停留时间分布进行模拟研究。分别以氢气和Na2SO4为示踪剂，采用非稳态计算模型，对气液相停留时间分布进行数值模拟。在气、液相返混数值模拟中，时间步长分别设定为（10-2）s和10 s。在脉冲法注入示踪剂的同时，在出口处设置监测点，监测示踪剂的浓度随时间的变化情况。

改变气液相进口流量，考察不同电流密度下电解槽内气液相返混情况，气液相流量与电流密度对应关系见表1。

表1 气液相流量与电流密度对应关系

1.4 数据处理

根据脉冲法停留时间分布测定原理，由数值模拟取得的数据，当时间间隔相等时，应用以下公式，可以得到：

停留时间分布密度函数

2 结果与讨论

2.1 不同电流密度下液相返混的情况

不同电流密度下，电解槽内的液相停留时间分布密度函数见图3。从图3可以看出，随着电流密度增大，停留时间分布密度函数出峰越早，说明液相平均停留时间越短；随着电流密度增大，停留时间分布密度函数峰形越尖锐，说明液体停留时间分布较集中，偏离平均停留时间的程度越小，方差较小。不同电流密度下电解槽内液相返混的多釜串联模型参数见图4。从图4可以看出，随着电流密度增大，模型参数越大。这说明电流密度越大，电解槽内液体返混越小，其流动模式越偏离完全混合流，而趋向活塞流。由此说明，当增大电流密度时，电解槽内的液相混合程度降低，这将对离子膜的使用寿命和电解槽的正常操作产生不利的影响。对于本文所用的自然循环离子膜电解槽，槽内液相返混的成因主要是循环板所引起的液相循环流动。当电流密度为5 kA/m2时，电解槽内液相的多釜串联模型参数为2.782。当提高电流密度时，应该采取额外的措施使电解槽的多釜串联模型参数至少保持这个值。

2.2 不同电流密度下气相返混的情况

不同电流密度下，电解槽内的气相停留时间分布密度函数见图5。从图5可以看出，气相停留时间分布密度函数出现了多峰现象，这是由于为了模拟电解槽内气体的生成，气相示踪剂沿电解槽不同高度引入电解槽，在较高位置引入的示踪剂先出峰，

图3 不同电流密度下液相停留时间分布密度函数

图4 不同电流密度下液相返混模型参数

图5 不同电流密度下气相停留时间分布密度函数

图4 不同电流密度下液相返混模型参数

停留时间较短；在较低位置引入的示踪剂后出峰，停留时间较长。在不同电流密度下，电解槽内气相返混的多釜串联模型参数见图6。从图6可以看出，当电流密度为3 kA/m2、7 kA/m2和8 kA/m2时，模型参数N较大，此时气相返混较小，气相流动模式偏向活塞流；而当电流密度为4 kA/m2、5 kA/m2和6 kA/m2时，模型参数N较小，此时气相返混较大，气相流动模式偏向全混流。当电流密度为6 kA/m2时，模型参数N为1.156，气相返混达到最大值。值得指出的是，较大的气相返混有利于气液相混合，但同时也会引起气相在电解槽顶部积累。相较于增大气相返混，采取措施减小气相在顶部滞留区体积对于电解槽设计更为重要。

3 结论

利用流体力学计算软件对零极距自然循环离子膜电解槽内气液相停留时间分布进行了研究，考察了电流密度对电解槽内气液相返混程度的影响。得出以下结论：

（1）随着电流密度增大，电解槽内液相返混程度降低；

（2）电解槽内气相返混随着电流密度的增大先增大，后减小，在电流密度为6 kA/m2时，返混程度达到最大。

［1］金双凤．改进Scheibel萃取塔停留时间分布研究．浙江大学，2015．

［2］岳雯婷，张 丽，刘秀明，刘国桢，刘云义．电流密度对氯碱工业离子膜电解槽传递特性影响．化工学报，2015，66（3）：915－923．

［3］李书声，王奎升，孙振熙，等．38DD350型电解槽阳极流场分布对钛板点蚀的影响．氯碱工业，2009，45（4）：41－43．