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锂电解槽结构分析与流场研究

作　者: 李素贞
导　师: 于建国
学　校: 华东理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 锂电解槽计算流体力学搅拌桨 PIV
分类号: TQ150.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

锂电解槽是锂电解生产过程中的核心设备,其流场分布状况在很大程度上会影响电解槽的电流效率。为降低能耗,本文研究了无隔板金属锂电解槽内的流场分布。电解槽内电解室与集锂室分开,在集锂室内安装搅拌桨,增大虹吸作用,以便将金属锂更快的从电解室导出至集锂室中,减少金属锂与氯气的接触时间,提高电流效率。应用CFD软件的多重参考系法(MRF),针对三种k—ε双方程模型系列和Reynolds应力多方程模型进行数值计算比较,发现三种k—ε双方程模型以及Reynolds应力多方程模型与PIV实验结果吻合均较好,主要原因是k-ε双方程模型以及Reynolds应力多方程模型使用稳态计算时的处理方式与PIV实验应用的平均处理方法是类似的。结果表明,相对较简单的标准k-ε模型已经可以满足实际指导工业生产的需要。通过Fluent流体计算软件,应用多重参考系法(MRF)及标准k-ε模型,模拟了水溶液体系在集锂室中的流场。以集锂室搅拌槽下导管内的速度大小作为监测指标,研究了电解过程中搅拌桨桨型、安装高度、转速、搅拌槽高度等因素对产品流出速度的影响。模拟结果表明,采用三叶推进桨会产生明显的轴流效果。同时在搅拌槽圆柱体壁面高度高于搅拌桨上沿时,壁面高度和搅拌桨安装高度越低,导管内流体速度越大。导管内流体速度与搅拌桨转速基本上呈线性关系。利用激光粒子测速仪(PIV),丌展了冷漠试验研究,对锂电解槽集锂室各种工艺条件下的流场状况进行了测量,包括搅拌桨安装高度和转速对导管中心速度的影响。并将实验结果与CFD计算结果进行对比,二种结果吻合较好。基于优化后的搅拌槽结构,设计制造了与工业2000A锂电解槽1：1比例的冷态模型试验装置,并完成了数值计算和实验研究。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章前言  10-13
  1.1 金属锂的性质  10
  1.2 金属锂的应用  10-11
    1.2.1 金属锂在合金中的应用  10
    1.2.2 金属锂在电池中的应用  10-11
    1.2.3 金属锂在热核聚变中的应用  11
    1.2.4 金属锂在有机合成中的应用  11
  1.3 金属锂的生产工艺概述  11-12
  1.4 本课题研究内容  12-13
第2章文献综述  13-22
  2.1 金属锂生产方法  13-16
    2.1.1 真空还原法  13
    2.1.2 熔盐电解法  13-16
  2.2 熔盐电解法研究现状  16-21
  2.3 数值计算在电解槽中的应用  21-22
第3章锂收集装置几何结构与工艺参数实验优化研究  22-35
  3.1 激光粒子成像测速仪工作原理及应用  22-24
    3.1.1 PIV系统组成  22-23
    3.1.2 PIV系统原理与数据采集  23-24
    3.1.3 PIV测试方法  24
  3.2 流场测量光学系统及冷模实验装置  24-26
    3.2.1 流场测量光学系统参数优化实验装置  24-25
    3.2.2 锂电解槽收集系统冷模装置  25-26
    3.2.3 流场测量系统  26
  3.3 结果与讨论  26-34
    3.3.1 PIV测试结果可靠性分析  26-29
    3.3.2 搅拌浆浆型的选择  29-30
    3.3.3 搅拌桨安装高度对导管中心速度的影响  30-32
    3.3.4 转速对导管中心速度的影响  32-34
  3.4 小结  34-35
第4章锂收集装置几何结构与工艺参数模拟优化研究  35-58
  4.1 电解槽物理模型的建立  35-36
    4.1.1 电解槽结构参数  35-36
  4.2 电解槽数学模型的建立  36-42
    4.2.1 流体力学基本模型  36-37
    4.2.2 流体力学控制方程  37-42
  4.3 计算模型的选择  42-45
    4.3.1 网格划分  42-44
    4.3.2 边界条件的设置  44-45
  4.4 搅拌桨设计选型与工艺参数的选择  45-47
    4.4.1 搅拌槽导流筒高度的影响  45-46
    4.4.2 搅拌桨桨型的影响  46
    4.4.3 搅拌桨直径的影响  46
    4.4.4 搅拌桨安装高度的影响  46
    4.4.5 搅拌桨转速的影响  46-47
  4.5 结果与讨论  47-57
    4.5.1 数值计算模型的选择  47-49
    4.5.2 搅拌槽导流筒高度的影响  49-51
    4.5.3 搅拌桨桨型的影响  51-52
    4.5.4 搅拌桨直径的影响  52-53
    4.5.5 搅拌桨安装高度的影响  53-55
    4.5.6 搅拌桨转速的影响  55-57
  4.6 小结  57-58
第5章强化分离型锂电解槽流动过程研究  58-63
  5.1 锂电解槽流动过程数值模拟研究  58-59
  5.2 锂电解槽流动过程实验研究  59
    5.2.1 实验装置  59
    5.2.2 实验方法  59
  5.3 结果与讨论  59-63
    5.3.1 不同转速的电解槽中流体流动特征  59-61
    5.3.2 不同搅拌槽高度的电解槽中流体流动特征  61-62
    5.3.3 实验结果  62-63
第6章结论与建议  63-64
  6.1 结论  63
  6.2 建议  63-64
参考文献  64-67
科研成果  67-68
致谢  68

锂电解槽结构分析与流场研究

内容摘要

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