在氯碱槽中应用改良的双流体模型.doc

在氯碱槽中应用改良的双流体模型进行数值模拟 Abbasi，Farshad*+;Rahimzadeh，Hasan Amirkabir科技大学，机械工程学院，伊朗，德黑兰 摘要：在本研究中，用修改过的双流体模型在一个垂直的电化学电池中气体析出的数值的研究。这种数学模型包括允许的气液两相的相际传质和动量传递的溶液单独的传递方程。这个控制方程是独立的，通过有限元分析法，然后通过SIMPLE算法解决在自然和强制对流状态下。为了增加计算的准确性，在近似的对流扩散条件下采用幂函数格式。计算了氯气的孔隙率分布和气液两相的速率。研究了气体在电极上的释放、电流密度和电解液的流量和电极间距的影响。为了验证这个模型，数值模拟由底部注入气体变成液体bath中引起的气泡驱动（bubble-driven）的流动。比较预测和文献数值数据，对于气液相，预测的结果令人满意地同数据吻合。 关键词：离子膜电解槽 两相流 双流体模型 氯碱工业 数值模拟 简介 　 电化学反应用于各种工业生产过程，如制氢、制氯过程、电镀、金属净化等。大多数的这些过程经常在电极上产生气体。液相中气相的存在使两相开始在传热和流体力学方面进行研究。气泡严重影响了质量传递、流场、电导率的体积　　和宏观电流密度分布，关键影响了反应速率。本研究主要目的是从两相流的观点来研究氯气在电解过程中的释放，并且研究气体释放对电解过程的影响。气泡在电极表面形成和成长是电化学反应的结果，气泡离开电极表面是浮力和剪切力超过界面张力的作用。 在Nagai等人（文献6）最近的实验中，研究了几个工艺参数如温度、电极的高度、电极之间的距离对电解槽性能的影响。他们发现电极间距变小会降低系统的效率。Byrne等人（文献7）考虑了一个简单的Poiselle流建立了一个数学模型，而气泡对速度剖面的影响没有解释。利用一个综合模型，Ozil（文献8）等人估计了在产氯槽中的电压和速度分布，并且估计了该系统中的自然对流。两相压降由Lockart 和Martinelli（文献9）使用相关进行了计算。Heal等人（文献10）利用结合了自动检测 汉-英 汉-日 汉-韩 汉-法 英-汉 日-汉 韩-汉 法-汉 流体动力学扩散层和气泡扩散层的数学模型，得到了Janssen和Hoogland（文献11）的认可。Boxall和Kelsall（文献12）把扩散层分为两部分。第一层包括水解反应中存在的平衡，而第二个层假设这个反应是一级和不可逆的。 最近，Dahlkild（文献13）对电解过程采用了一个气液两相混合流动模型并且应用边界层分析修改该模型。Dahlkild的数据结果表明，气泡沿电极会非均匀分布，会导致电流密度分布不均匀。 单流体混合模型认为气液混合物是一个密度可变的单流体。此方法主要的缺点在气相分布的计算。这种分布可以通过实验数据或者是求解单独的传递方程（14）来获得。这个混合模型也不足够预测每个相的流动行为。两相流模型没有这样的限制。在最近的研究中，Mat等人（15）开发了一种双流体数学模型在制氢强制循环的电解系统，发现该模型成功地抓住了电解过程的主要特征。 因此，Mat等人（15）这个研究的目标主要是采取两相流模型将它应用到离子膜电解槽中的氯析出，和研究不同参数对系统性能的影响在层流控制区laminar regime。为了验证这个模型，数值模拟气体底部注入液体bath所引一个气泡驱动（bubble-driven）的流动。比较预测和Jinsong（16）等人的数据，目前的模型能够对液体和气体的阶段获得一个合理的数值结果。 物理问题 图1给出了考虑的问题的原理示意图。系统包括两个电极，阴极和阳极分别位于膜的右边和左边，电解液是稀的NaCl的水溶液。在两个电极间通电后，氢气在阴极产生氯气在阳极产生。 NaCl电解成Na+和Cl-，根据下面的电极反应氢气在阴极产生和氯气在阳极产生： 阴极： 阳极： 电解的主要目的是产生氯气，只有阳极和膜之间的区域才是要研究的。系统的结构和大小被Jean St-Pierre等人（17）认为是实验研究的mirror。 控制方程： 为了表达系统中的流动行为和热传递，考虑一个气液两相混合物。这个相被假定是以一定的比例共占一些空间，以这样的方式来确定他们的存在的概率，这种方式是他们的体积分数之和将在流体中达到统一（14，15，18，19）这个可以表达成： ③al，ag分别是液相和气相的体积分率。区域的平均数量通过溶液中的每相单独的传递方程获得。这个结构中，稳态控制方程，两相流系统可以在笛卡尔坐标系被表示（14，15，18，19）： 质量守恒： ④ 在本问题中下标i表示相，在随后的公式中l和g分别代表液相和气相。右边的方程代表了在电解的液气界面上的两相的质量扩散。