基于Fluent的新型平行流銅電解槽內流場數值模擬

隨從亞，董為民，龔 夢，浦玲江，王 鑫

(昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500)

銅電解精煉的目的是提高粗銅產品的純度，用來滿足銅產品在工業領域上的應用[1]。傳統始極片電解工藝和不銹鋼電解工藝是目前銅電解生產工藝的兩種主要方法[2]。如今，銅電解精煉正向著大型化、大極板化、自動化、高效率、高質量、低能耗、低成本的目標逐步發展[3]，對于如何做到既不降低電流效率和不提高電解能耗，又能實現在高電流密度條件下維持銅電解過程穩定生產非常重要[4-8]。

銅電解是一個復雜的多物理場傳遞過程，涉及流場、電場、磁場、壓力場和溫度場等[9-13]，電解液循環流動是上述多個物理場的動因，流場對電解槽內離子濃度、溫度分布及陽極泥沉降等方面有著重要的意義。因此，本文以國內某銅電解槽為原型，運用Fluent 軟件對單側平行流、雙向平行流及新型平行流進液方式進行數值模擬，觀察不同特征截面電解液的流動狀態，為進一步改進電解槽的結構、工藝參數和產能的提高提供建議和依據[14]。

1 銅電解槽物理模型

1.1 銅電解槽結構及參數

所研究的銅電解槽結構如圖1所示，銅電解槽槽體為長方體，槽體內部盛滿電解液，進口布置在槽體的右端面，出口布置在槽體的左端面，導電板架設在槽體頂部，絕緣板架設在槽體邊緣，陰、陽極板以100 mm 的極間距間隔懸掛在導電板上，底部為10 度左右的斜面，為了方便電解周期完成后收集陽極泥等雜質，底部分別安裝有電解液出口管和陽極泥排出管，銅電解槽主要相關參數如表1所示。

圖1 銅電解槽的結構

表1 銅電解的主要物理參數

1.2 幾何模型的簡化及新型平行流結構的設計

1.2.1 幾何模型的簡化

為了保證模型構建和數值求解能順利進行，對電解槽進行合理簡化如圖2所示。

圖2 簡化后電解槽幾何模型

1.2.2 新型平行流結構的設計

新型平行流結構是在雙向平行流進液方式的基礎上加以改進，讓同高度的平行進液變為不同高度的平行進液，且兩側的進液速度大小不同。雙向平行流與新型平均流結構簡圖如圖3所示。

圖3 雙向平行流與新型平行流結構對比

2 電解液流動數學模型

2.1 基本假設與邊界條件

2.1.1 基本假設

由于銅電解過程是一個復雜的物理化學過程，為了更好地分析其流場流動狀態，作如下假設：假定電解液流動為穩定流動；不考慮陽極泥沉積和氣泡的存在，因此多相流簡化為單相流；假定電解液表面為自由面；電解工藝處于穩定狀態，壁面處采用了標準壁面函數，即U=0、V=0、W=0。

2.1.2 邊界條件

1)入口邊界條件：入口速度為0.3 m/s。

2)出口邊界條件：出口邊界壓力為0，為平滑流出。

3)電場邊界條件：通過對傳統電解分析，在設置電場時采用Fluent 軟件自帶的電勢模塊進行電場模型設置，具體為陽極板電勢為0.24 V，陰極板電勢為0 接地。

2.2 流場模型選取

雷諾數是流體力學中判斷流動狀態的依據，電解槽中電解液的流動狀態要通過雷諾數的大小來判斷，通常認為雷諾數Re高于2 500 為湍流，低于2 000 為層流，計算公式見式(1)。

式中：Re為雷諾數；ρ為流體密度；?為流體特征速度；d為水力直徑；μ為動力黏度。

由式(1)得出電解槽內電解液流動雷諾數Re＞4 000，整體流態為湍流，因此選擇的流場模型為湍流模型。

3 模擬結果與分析

運用Fluent 軟件對電解槽內電解液流動狀況和速度方向變化進行分析，分別得出X 截面和Z 截面電解液流動狀況及電解液流動方向。

3.1 單側平行流

3.1.1 X 截面電解液流動狀況

圖4所示是垂直X軸的截面云圖，由于每塊陰極板兩側都布置兩個進液口，進口方式一樣，所以每塊極板間的流動狀況極其相似，取X=247 mm 切分進出口和極板間位置，由圖可知，單側平行進液在靠近進口的極板四個端面位置流速相對較高，流速在0.1 m/s 左右，而其余位置流速分布在0.001～0.01 m/s之間，隨著電解液沿極板向上流動，動能損失較大，在極板中部位置電解液流動緩慢，流速在0.009 m/s。通過觀察發現，一部分電解液從下側進液，以高流速狀態直接從電解槽底部和側壁流向了出口，是由于進口布置在下側，受水壓作用電解液耗散的動能較大，側壁和底部沒有極板隔擋，所以這種方式可以把進口布置在電解槽上側，銅離子運動方向與出口方向一致。

圖4 X 截面極板間電解液速度云圖

3.1.2 Z 截面電解液流動狀況

圖5所示是垂直Z軸的截面云圖，可以看出靠近電解槽兩側壁處的電解液流動狀況。Z=645 mm是電解槽高度一半的位置，由圖可知靠近進口處的流速最快，是由于初始動能最大，電解液在電解槽兩側壁流速大，流速在0.01 m/s，而極板中部位置的流速緩慢，與X 截面的結果相對應。電解過程中極板間的電解液需要一定程度的流動性，該進液方式與事實相反，可以考慮把進口布置在上側，且噴嘴位置能延伸到極板的端部效果會比較理想。

圖5 Z 截面電解液流動速度云圖

3.1.3 電解液的流動方向

由圖6可以看出電解液整體的一個流動方向，電解液的流動方向是至下而上的，這樣會使得沉降的陽極泥容易翻滾起來，導致陰極銅的質量變差，并且不利于陽極泥和貴重金屬的回收。

圖6 單側平行流下進上出速度矢量圖

綜上所示，單側平行流的電解液從底部的供液管水平射入極板中，部分電解液從電解槽底部和側壁流向出口，但也有部分電解液沿極板向上流動，且該部分電解液相比一端進液的比例大，最終匯入電解槽頂部循環主流區域，進液口數量多且進液口間隔相等，這種進液方式的電解液流動狀況在每對極板間的現象相差不多。

3.2 雙向平行流

3.2.1 X 截面電解液流動狀況

圖7所示是垂直X軸的截面云圖，由于每塊陰極板兩側都布置雙向雙噴嘴，極板間電解液流動相似，則取X=247 mm 處切分進出口和極板間電解液速度云圖分析，由圖可知，由于陰極兩側都設置進口，進口區流速最高，流速在0.01 m/s，新鮮電解液以高流速進入陰陽極板，出口設置在陰極板下側，與進口形成雙向向下旋轉流動的軌跡，總體來說，極板間的電解液流速在0.003～0.007 m/s 范圍內，極板的中部位置和電解槽兩側的電解液流速都較大，說明該進液方式高流速電解液大部分還是分布在電解槽側壁，而底部流速比側壁流速小得多，這樣不會擾動已經沉降的陽極泥，靠近極板兩端附近的電解液在極板間以較小流速向下流動。

圖7 雙向平行流X 截面速度云圖

3.2.2 Z 截面電解液流動狀況

圖8所示是垂直Z軸的截面云圖，它可以看出靠近電解槽兩側壁處的電解液流動狀況。由于雙向平行流進出口滿足對稱性，本文取1/8 分析，Z=645 mm 截面位于電解槽高度一半的位置，如圖所示，可觀察到電解液在電解槽側壁的流速較大，流速在0.01 m/s 左右，而極板間電解液流速在0.004～0.01 m/s 之間，整體電解液流速分布比單側平行流高，意味著新鮮電解液利用率高。

圖8 Z 截面電解液速度云圖

3.2.3 電解液的流動方向

如圖9所示，電解液是由上而下流動，所以大部分電解液向下流動，由于該平行進液方式在極板中部位置流速高，而極板兩側區域流速較慢，速度差會造成回流，部分電解液向上流動，如圖9紅色框所示，不利于陽極泥的沉降。從極板間電解液整體流速總體分析，該進液方式優于單側平行流進液方式。

圖9 雙向平行流極板間局部電解液速度矢量圖

綜上所述，雙向平行流進液的入口分布在極板兩側，電解槽側壁、底部和極板中部流速較高，極板間電解液的高流速占比小，新進電解液沒有被充分利用，部分電解液從側壁流向出口，這對極板間電解液的更換是極其不利的。與單側平行流相比，該方式有利于陽極泥的沉降，但因為該方式進液是每塊陰極板兩側共8 個噴嘴，數量過多，后期維修或更換非常不便，同時對加工進出孔的要求較大，并未被廣泛使用。

3.3 新型平行流

新型平行流銅電解槽的設計是基于上述兩種進液方式下電解液的流動狀況進行優化后得到的，特別是基于雙向平行流進液方式的改進，在高電流密度下使得流場流速更均勻和穩定，銅離子能及時遷移到陰極附近，縮短了電解周期，保證銅產品的產量和質量。

3.3.1 X 截面電解液流動狀況

圖10是新型平行流進液電解槽垂直X軸的截面云圖(X=247 mm)，該進液方式也是平行進液的一種，但兩側進液口存在200 mm 高度差，這高度的設計是根據射流的初始速度在電解液減少至零的高度，再結合極板的高度來設置。進口區域電解液初始速度較大，流速為0.01 m/s，極板間的電解液流速也較大，流速在0.006～0.01 m/s 之間，且在極板間流速為0.01 m/s 的占比最大，說明該進液方式的電解液極大部分進入到極板間，對比雙向平行流進液該方式極板間高流速占比更大、更均勻，而且只設置了8 個噴嘴出口，電解槽底部電解液流速較小，利于陽極泥的沉降。

圖10 X 截面極板間電解液速度云圖

3.3.2 Z 截面電解液流動狀況

由圖11所示是垂直Z軸的截面云圖，看出靠近電解槽兩側壁處的電解液流動狀況。Z=645 mm 截面可以觀察電解槽的側壁和極板間電解液的流動狀況，電解槽的側壁流速小而極板間高流速占比大，說明電解液大部分從極板間流過，滿足設計初衷。相比上述兩種進液方式，該方式下電解液從無阻擋區流過的比例小，彌補了極板間電解液流速慢的缺點，使電解液流均勻分布，利于銅離子遷移。

圖11 Z 截面電解液速度云圖

3.3.3 電解液的流動方向

圖12所示為新型進液方式下極板間電解液速度矢量圖。新型進液方式下的電解液是從上往下運動的，和陽極泥沉降方向基本一致，對電解產出光滑致密的陰極銅有利，并且該方式進液回流區極少，沒有向上流動的電解液。

圖12 新型進液方式下極板間電解液速度矢量圖

相比雙向平行流，新型進液極板間高流速占比在80%左右，而雙向平行流極板間的高流速占比在60%左右；新型進液的噴嘴數量少，是雙向平行流噴嘴數量的一半，特別是出口數量大大減少，每8 塊極板共用一個出口，便于后期檢修、更換；槽中電解液流速波動較小，利于陽極泥的沉降。

4 結論

本文以國內某銅電解槽為原型，運用Fluent 軟件對單側平行流、雙向平行流及新型平行流進液方式進行數值模擬，觀察不同特征截面電解液的流動狀態，得出如下結論。

1)單側平行流的電解液流動方向是從下至上，容易將電解槽內沉降的陽極泥揚起，導致陰極銅純度不高，并且不利于陽極泥的合理回收。

2)雙向平行流的電解液由上而下流動，進液方式在極板中部位置，流速高，而極板兩側區域流速較慢，速度差造成回流，使得部分電解液向上流動，不利于陽極泥的沉降。

3)新型平行流進液方式以雙向平行流進液為基礎，兩側進液口存在高度差，進口處流速較高，槽底和側壁的流速緩慢，大部分電解液進入極板間，使得極板間電解液可以及時更新。

綜合比較三種進液方式，新型進液方式是目前電解液進液的較好方式。