氯堿工業離子膜電解槽內氣液相返混研究

張 麗 ，岳春佳 ，由 鋼 ，李佑平 ，劉秀明 ，劉國楨 ，劉云義

（1.沈陽化工大學化學工程學院，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計研究所，沈陽 110015）

電解槽是離子膜法制堿的關鍵設備，其內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現，采用循環量、膜面離子濃度、槽板處氣體體積分數等參數評價電解槽性能時，各項參數之間存在著相互重復或者矛盾關系，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，返混程度直接關系到槽內氣液相濃度分布和溫度分布，進而影響電解反應速率和反應產物分布，從而影響電解過程的經濟性和電解槽的使用壽命。鑒于此，本文對電解槽內不同操作參數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計參考。

返混是指反應器內不同停留時間的物料之間的混合。返混程度越大，其內物料濃度越均勻。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]。在自然循環的離子膜電解槽內，由于循環板兩側氣含率不同，密度差引起了液體的大量循環，從而使液體在電解槽內停留時間不同，存在返混。電解槽內較大的液相返混，有利于促進槽內鹽水濃度均勻，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，這說明氯氣在槽內存在停留時間分布。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生不良影響[3]。因此，良好的電解槽設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器內物料的停留時間分布，進而選取合適的反應器模型，由模型參數定量描述。本文采用脈沖法，利用流體力學計算軟件，對電解槽內氣液相停留時間分布進行了研究；采用多釜串聯模型，對電解槽內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

真實電解槽內質量、能量關系以及槽體內部加工結構較為復雜，為了便于網格劃分和計算求解，將電解槽陽極室單個格柵的結構和邊界條件進行了簡化處理，模型假設包括以下內容。

（1）各格柵之間不存在物質、能量交換；

（2）離子膜和電極網表面光滑，并完全重合；

（3）電流密度均勻，反應速度恒定，沒有電極副反應；

（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速率模型，對電解槽內氣液相流動進行穩態模擬。采用一階迎風格式對控制方程進行離散，選用標準壁面函數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。

在穩態模擬的基礎上，對電解槽內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，采用非穩態計算模型，對氣液相停留時間分布進行數值模擬。在氣、液相返混數值模擬中，時間步長分別設定為（10-2）s和10 s。在脈沖法注入示蹤劑的同時，在出口處設置監測點，監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氣液相返混情況，氣液相流量與電流密度對應關系見表1。

表1 氣液相流量與電流密度對應關系

1.4 數據處理

根據脈沖法停留時間分布測定原理，由數值模擬取得的數據，當時間間隔相等時，應用以下公式，可以得到：

停留時間分布密度函數

2 結果與討論

2.1 不同電流密度下液相返混的情況

不同電流密度下，電解槽內的液相停留時間分布密度函數見圖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液相返混的多釜串聯模型參數見圖4。從圖4可以看出，隨著電流密度增大，模型參數越大。這說明電流密度越大，電解槽內液體返混越小，其流動模式越偏離完全混合流，而趨向活塞流。由此說明，當增大電流密度時，電解槽內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生不利的影響。對于本文所用的自然循環離子膜電解槽，槽內液相返混的成因主要是循環板所引起的液相循環流動。當電流密度為5 kA/m2時，電解槽內液相的多釜串聯模型參數為2.782。當提高電流密度時，應該采取額外的措施使電解槽的多釜串聯模型參數至少保持這個值。

2.2 不同電流密度下氣相返混的情況

不同電流密度下，電解槽內的氣相停留時間分布密度函數見圖5。從圖5可以看出，氣相停留時間分布密度函數出現了多峰現象，這是由于為了模擬電解槽內氣體的生成，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

圖4 不同電流密度下液相返混模型參數

圖5 不同電流密度下氣相停留時間分布密度函數

圖4 不同電流密度下液相返混模型參數

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，電解槽內氣相返混的多釜串聯模型參數見圖6。從圖6可以看出，當電流密度為3 kA/m2、7 kA/m2和8 kA/m2時，模型參數N較大，此時氣相返混較小，氣相流動模式偏向活塞流；而當電流密度為4 kA/m2、5 kA/m2和6 kA/m2時，模型參數N較小，此時氣相返混較大，氣相流動模式偏向全混流。當電流密度為6 kA/m2時，模型參數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體積對于電解槽設計更為重要。

3 結論

利用流體力學計算軟件對零極距自然循環離子膜電解槽內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氣液相返混程度的影響。得出以下結論：

（1）隨著電流密度增大，電解槽內液相返混程度降低；

（2）電解槽內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，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離子膜電解槽傳遞特性影響．化工學報，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，2009，45（4）：41－43．