40ka鈉電解槽三維磁場(chǎng)模擬研究

1、40kA鈉電解槽三維磁場(chǎng)模擬研究鈉電解槽三維磁場(chǎng)模擬研究賈瑞博，張惠，劉中興，伍永福，王亮亮（內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010）摘要摘要：利用有限元軟件ANSYS建立四陽(yáng)極制鈉電解槽的三維電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，獲得了電解槽內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁力等的分布情況。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：鈉電解槽；電磁力；磁感應(yīng)強(qiáng)度；數(shù)模；ANSYS中圖分類(lèi)號(hào)：中圖分類(lèi)號(hào)：TG142.262文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：文章編號(hào)：10077545（20

2、12）050000003DSimulationofMagicFieldon40kASodiumElectrolysisCellJIARuiboZHANGHuiLIUZhongxingWUYongfuWANGLiangliang(SchoolofEnvironmentEnergyInnerMongoliaUniversityofScienceTechnologyBaotou014010InnerMongoliaChina)Abstract

3、:ThreedimensionalmagicfieldmathematicmodelsofsodiumelectrolyticcellwereestablishedbasedonthefiniteelementsoftwareofANSYS.Themagicfieldwasnumericalsimulatedthemagicinductionintensityelectromagicfceinsodiumelectrolyticcell

4、wereobtained.Keywds:sodiumelectrolyticcellelectromagicfcemagicinductionintensitymathematicmodelsANSYS制鈉電解槽內(nèi)磁場(chǎng)是由槽內(nèi)電流產(chǎn)生的。在電解過(guò)程中，槽內(nèi)磁場(chǎng)的大小及其分布情況對(duì)電解槽的電流效率有很大影響[17]。隨著電解槽規(guī)模的擴(kuò)大，槽內(nèi)電流會(huì)越來(lái)越大，電磁場(chǎng)對(duì)電解過(guò)程的影響也會(huì)增大。因此，有必要研究電解槽內(nèi)磁場(chǎng)大小及其分布情況對(duì)提高

5、電解槽電流效率的影響[111]。1制鈉電解槽的物理模型制鈉電解槽的物理模型鈉電解槽由陰極、陽(yáng)極筒和槽體3部分組成[1]，電解質(zhì)采用三元體系[2]：30%NaCl20%CaCl250%BaC12。電解槽結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。1陰極；2陽(yáng)極；3槽體；4電解質(zhì)圖1鈉電解槽結(jié)構(gòu)示意圖鈉電解槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Structuraldiagramofsodiumelectrolyticcell2數(shù)學(xué)模型的建立數(shù)學(xué)模型的建立2.1幾點(diǎn)假設(shè)幾點(diǎn)假設(shè)1）不

6、考慮電解槽的其他輔助設(shè)備對(duì)電場(chǎng)的影響；2）陰、陽(yáng)極為等勢(shì)體；3）40kA總電流在4個(gè)陽(yáng)極上均勻分布[3]，并忽略電解槽的漏電現(xiàn)象。2.2邊界條件邊界條件按照文獻(xiàn)[35]確定邊界條件。2.3電磁場(chǎng)計(jì)算的控制方程電磁場(chǎng)計(jì)算的控制方程直流電通入電解槽的陽(yáng)極后在電解槽內(nèi)形成電流，從而生成磁場(chǎng)，故需對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算。1）前人對(duì)電解槽的電場(chǎng)進(jìn)行了充分的研究[910]，在電流分布可以確定的情況下槽內(nèi)任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向可用BiotSa

7、vart定律求得：基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51064020）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（NJ09083）收稿日期收稿日期：20120309作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：賈瑞博（1977），女，山西平魯人，碩士，講師.doi：10.3969j.issn.10077545.2012.05.007電流由陽(yáng)極流向陰極，由于陰極有較強(qiáng)的屏蔽作用，故陰極外沒(méi)有電勢(shì)分布。電解槽的電勢(shì)云圖、焦耳熱和電磁力分布圖見(jiàn)圖4。由圖4可知，電解槽

8、內(nèi)電勢(shì)變化主要分布于陰、陽(yáng)極之間的區(qū)域，故電解生成的焦耳熱和電流形成的磁場(chǎng)力也主要分布于陰陽(yáng)極之間。這就證實(shí)了陰陽(yáng)極之間是電解的主要發(fā)生區(qū)域。圖4電勢(shì)云圖電勢(shì)云圖(a)、焦耳熱、焦耳熱(b)和電磁力和電磁力(c)分布圖分布圖Fig.4Distributionmapofelectricpotential(a)Jouleheat(b)electromagicfce(c)3.2不同極間距時(shí)電磁力分布變化情況不同極間距時(shí)電磁力分布變化情況對(duì)不同

9、極間距做了模擬計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。通過(guò)改變陽(yáng)極尺寸來(lái)改變極間距，故極間距越大，陽(yáng)極尺寸越小，其電流密度越大，則電流形成的電磁力也越大，有利于新生成的金屬鈉和氯氣脫離電極，也有利于電解質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)。但是，電磁力過(guò)大會(huì)使金屬鈉流向陽(yáng)極并發(fā)生氧化，從而降低電流效率，所以電磁力不能過(guò)大。圖5電磁力與極間距的關(guān)系圖電磁力與極間距的關(guān)系圖Fig.5Relationshipbetweenelectromagicfcepoledistance對(duì)比圖6