板框式电化学反应器流场结构设计及数值模拟

2019-08-28王志伟王留成陈冲冲

中原工学院学报 2019年3期

王志伟，王留成，陈冲冲

(郑州大学化工与能源学院，河南郑州， 450001)

电化学反应器又称为电解槽。按照电解槽的结构，可将其划分为箱式电解槽、板框式电解槽和特殊结构电解槽。在有机电合成反应中，箱式电解槽是使用较多的电化学反应器。箱式电解槽结构简单，设计制造较容易，后期维修方便。但是，其结构简单，所得产品的时空产率较低，难以大规模连续生产，工业化困难。针对不同的工业化需求，研制了许多特殊结构的电解槽，如颗粒状电极电解槽，它以微小颗粒状或球状材料制成三维电极，具有极高的电极表面积/电解槽体积比；毛细间隙电解槽，因其极小的极间距(125～200 μm)而得名；旋转电极电解槽，其电极由机械转动装置驱动，实验完成后可取出电极进行清理，便捷实用；Swiss-Roll电解槽，其槽内电极与隔膜紧密堆叠在一起，可将其看作极窄间距的平行板电解槽的变形。这些特殊结构的电解槽由于技术、工艺、价格等方面的原因，至今仍未见工业化报道。

板框式电解槽常由多个单元槽体组合而成，每个单元槽体内均有板框、电极与隔膜，板框结构可根据需要自主设计，电极形式多样(板状、多孔板状、网状等)，隔膜多用离子交换膜。每个单元槽体内电极间多用绝缘垫圈隔开，并由隔膜分割成阴极室与阳极室，根据电解实验的实际需求，电解液与电流用串联或并联的方式接入电解槽。与其他电解槽相比，板框式电解槽具有压力损失小、空间利用率高以及槽压低等优点，在无机电解工业中得到了广泛应用。但在实际应用中，板框式电解槽也存在着一定缺限[1]，比如存在死区、传质效果差、时空产率低等，尤其是反应器内部结构对传质及电化学反应工程影响很大[2-3]。在传统电化学领域，已开发的反应器流道类型有很多，主要包括直通道、蛇形通道、多蛇形通道、螺旋形通道、网状流场通道以及点状流场通道[4-5]等。此外，魏金柱、TÜBER等也设计了几种复合型及分形结构流道[6-7]。但对板框式电化学反应器流道结构的研究较少。

为优化反应器结构、改善反应器内流体流动状况，本研究设计了不同流道结构的板框式电化学反应器。通过测定停留时间分布，考察流体的流动规律及传质状况，并结合CFD软件对流体在反应器内流动状况进行数值模拟研究，以期拓展板框式电化学反应器的应用领域。

1 电化学反应器结构设计

希尔伯特曲线是一种典型的分形图形，它通常由一段折线开始，经过多次迭代生成。由于结构简单，分布对称，在结构设计上被广泛应用[8]。希尔伯特曲线经过两次迭代后，与蛇形流道结构组合，可得到复合希尔伯特流道结构。本文使用CAD软件进行建模处理，设计出了希尔伯特流道结构的板框式电化学反应器，其结构如图1所示。内部结构部分采用了希尔伯特流道图形，并对图形进行了适当的修改，将靠近电解槽边缘部分封闭，使其与槽边相连接，以避免短路流的出现。

根据反应器尺寸与结构特性，以分形与仿生结构为基础，本文又设计了神经网络流道反应器(见图2(a))和仿生结构的蜂窝流道反应器(见图2(b))，改良了交指流道反应器(见图2(c))，并选用竖型流道反应器(见图2(d))进行比较。

1.流体入口；2.流体分布器；3.湍流促进器；4.流体收集器；5.流体出口；6.流道图1 希尔伯特流道反应器结构示意图

(a) 神经网络流道

(b) 蜂窝流道

(d) 竖型流道

图2 4种反应器结构正面及截面示意图

所有电化学反应器的外部结构及尺寸一致(外槽体尺寸：210 mm×305 mm×30 mm，内槽尺寸：130 mm×219 mm×9 mm)，内部湍流促进装置与流道类型各异。此外，反应器均为单进单出类型，并在进、出口位置分别设计了流体分布及收集构件，使流体在反应器中流动均匀。以聚丙烯为材料加工出反应器实物模型(见图3)，用停留时间分布测定方法对流体在反应器内流动规律进行定量研究，并通过实验对比验证其全混流效果。

(a) 希尔伯特流道 (b) 神经网络流道

(e) 竖型流道图3 聚丙烯材料反应器实物图

2 停留时间分布测定

流体流入反应器时，由于流速分布不均匀或者某些流体微元运动方向与主流体流动方向相反，使反应器内流体产生不同程度的返混。停留时间分布[9]可定量描述返混程度的大小，从而研究流体的流动规律。本研究以水为主流体，饱和氯化钾溶液为示踪剂，采用脉冲法测定所设计的5种流道结构反应器的停留时间分布数据，实验装置如图4所示。

1.进水储水槽；2.磁力驱动泵；3.流量调节阀；4.短管流量计；5.板框式电化学反应器；6.出水储水槽(a) 示意图

(b) 实物图图4 停留时间分布测定装置

(1)

式中：t为时间，E(t)为停留时间分布密度函数，ht为测量数值。

为了便于比较，实际应用中常用无因次方差σ2来代替方差σt2，其值为：

(3)

表1 希尔伯特结构反应器中流体停留时间分布的特征值

表2 神经网络结构反应器中流体停留时间分布的特征值

表3 蜂窝结构反应器中流体停留时间分布的特征值

表4 交指结构反应器中流体停留时间分布的特征值

表5 竖型结构反应器中流体停留时间分布的特征值

由表1-表5可以看出，在测定的流速范围内，随着流速增大，反应器内流体的平均停留时间都呈减小趋势，无因次方差呈现增大趋势，说明所设计的板框式电化学反应器内流体的流动状况随流速增大，逐渐接近理想混合状态；在相同流速下，不同结构反应器内流体流动状况差别明显，说明流体流型不但与流速有关，还与流道的结构相关；所设计的5种不同结构的反应器中，蜂窝流道结构反应器相对平均停留时间最长，无因次方差相对较大，流体较接近理想混合状态，而竖型流道反应器平均停留时间最短，无因次方差相对较小，流体理想混合效果较差。由停留时间分布测定结果可知，5种不同结构的反应器中，蜂窝流道结构反应器内流体流动状况最接近理想混合状态，传质效果最优。

3 基于Fluent的反应器传质性能数值模拟研究

3.1 理论模型

近年来，随着计算机技术的快速发展，计算流体动力学(CFD)应运而生，并在科学研究中广泛应用。对流体流动过程进行计算机模拟，通过软件将其转换成图像、图表等形式，可直接看出流体的流动状况。本文以液态水为流体，可将其认定为不可压缩牛顿流体，由于高流速以及扰流器的作用，设定流体流动状态为湍流状态。同时忽略流动过程中流体温度的变化以及温差造成的能量的损耗，流动过程受到物质质量守恒方程与动量守恒方程约束，其形式为[10]：

(4)

式中：v为速度矢量，ρ为流体密度，μ为黏度。

本文使用标准k-ε模型进行方程求解，其不可压缩流体的湍流模型输送方程[11]为：

(5)

式中:Gk是由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，Gb是由浮力引起的湍动能k的产生项，YM是可压湍流中脉动扩张的贡献，C1ε、C2ε、C3ε是经验常数，σk和σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数，Sk和Sε是用户定义的源项。根据Launder等的推荐值以及实验验证，当流动液体为不可压缩牛顿流体，且不考虑用户自定义的源项时，Gb=0，YM=0，Sk=0，Sε=0，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，C3ε=0或C3ε=1。

3.2 模拟结果与分析

本研究以倾斜度(Skewness)作为网格划分结果的评价因子，分别对所设计的5种结构反应器网格进行质量评估，结果见表6。

表6 Skewness单元数量及单元质量统计表

注：最小边长为2.50 mm。

以竖型流道结构反应器模型为例，对模拟计算结果进行收敛性分析(入口流量为40 L/h，流速为0.566 m/s)。在Fluent软件中通过迭代求解得到的数值残差曲线如图5所示。从图中可看出其各方程变量的残差都小于10-3，满足残差收敛标准，反应器网格质量满足计算标准。

图5 稳态求解残差曲线

在不考虑温度、压力等外界状况的条件下，不同入口流速(流量分别为40 L/h、50 L/h、60 L/h、70 L/h、80 L/h，对应的流速分别为0.566 m/s、0.707 m/s、0.849 m/s、0.990 m/s、1.132 m/s)的竖型反应器内流体流场流线图如图6所示。

由图6可以看出，流体流速相对较小时，反应器内流体沟流与短路现象较为严重，同时还存在较大的滞流区；随着流速的增大，沟流与短路情况有所改善，滞流区相对减少，但是只改变流速，对反应器内流体的传质状况改善有限。因此，在相同流速(v=0.707 m/s)下，又考察了5种不同结构反应器的流场流线图，其模拟结果如图7所示。

由图7可以看出，流速一定时，不同结构反应器内的流体传质状况差距较大；流体进入反应器后，大都沿着左侧槽内壁及其附近流动，经湍流促进器的扰流作用，改变流动方向，最后汇聚在出口附近，流出反应器；5种反应器中，竖型反应器的混合效果最差，流体混合不充分，而蜂窝流道结构反应器内几乎被流体充满，混合流动状态较为理想。可见，基于Fluent的模拟结果与停留时间分布测定的结果基本相符合。