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湿法炼锌是现代炼锌的主导方法,但普遍存在电耗高的问题,而锌电解沉积工序是湿法炼锌的主要耗能环节,因此降低锌电解沉积工序电耗是湿法炼锌节能降耗的关键。从锌电解动力学分析可知,电解液流场对锌电解电流效率和产品质量有重要影响,为此本文运用数值模拟方法对锌电解槽内电解液流动规律展开研究,并对结构参数与操作参数进行优化,以实现提高电流效率和电锌质量的目标。
本文以锌电解槽为研究对象,结合锌电解沉积工艺和反应机理,建立了锌电解液流动的数理模型,采用标准k-ε湍流模型、欧拉-拉格朗日离散相DPM模型对锌电解槽内电解液单相流和气液两相流进行了数值模拟与优化;为对流场性能进行定量评价,提出了有效流量概念。主要结论如下:
1)在锌电解槽侧部液面上出现分流现象,第二十块阳极前的电解液往入口方向回流,其余电解液往出口方向流动,这与实际锌电解生产观测的现象相符。阳极孔中电解液存在一定流动速度,在阳极上开孔有助于加强电解液的流动。
2)电解液在锌电解槽中的流动性与气泡上浮运动共同作用使阳极附近电解液沿极板向上流动,阴极附近电解液沿极板向下流动,这种流动状态使阴极上半部锌离子浓度比下半部高,从而在阴极上生成的锌片出现上厚下薄现象,与实际锌电解生产观测的现象相符。气泡运动加强了阴极附近电解液的流动,有利于减小锌离子浓度贫化。
3)入口角度、入口位置、入口流量对电解液流动状态影响不大,但对有效流量有较大影响;玻璃钢挡板对槽侧部电解液阻流作用有限,且仅对靠近出口处的电解液流动状态会产生影响。以入口角度θ=0°、入口位置放置在液面下0.9m处、入口流量为25m3/h、玻璃钢挡板深度为1320mm的工况作为优化工况可以使锌电解槽电解液有效流量比设计工况提高309.5%,有利于提高锌电解电流效率。