高效率锂电解槽优化设计研究
发布时间：2021-04-05 04:45
锂冶金是有色金属行业里的重要组成部分。作为一种基础材料,锂及锂合金在航天、电力、运输、机械、军工等众多领域都得到了十分广泛的应用。近些年来,随着锂电池等行业的不断兴起,锂电解工业也得到了迅速的发展,我国锂资源丰富,是世界主要的锂生产国。然而,锂冶金工业一直以来也存一些问题,例如能耗过大,电解得到的金属锂纯度较低,其中电解工序在锂冶金工业的工艺流程中占比很大。因此通过优化电解槽结构参数,提高锂电解槽电解效率可以有效降低锂冶金工业的能耗。锂电解槽在工业生产中降低能耗的有效途径是在达到电解温度的条件下尽可能降低锂电解槽中的电解温度。因此选取电解槽四个主要结构参数,通过仿真优化得到最佳的电解槽结构参数组合,在该组合下电解槽的电解效率最高。并且通过改变电解过程中消耗最大的氯化锂物料,来调节电解质的成分和电解温度。通过分析在锂电解槽处于热平衡状态下氯化锂添加量与电解槽温度等参数的关系,得出在电解槽稳定工作状态每个工时最佳的氯化锂添加量,从而使得能够锂电解槽在正常电解条件下,以较低的电解温度进行电解生产,达到节约能源、提高电解效率的目标。本论文完成的主要工作内容和创新点如下:（1）建立悬挂式阴极金属...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
悬挂式阴极锂电解槽二维简图
第二章锂电解槽电场数值模拟11（a）实体模型（b）网格划分模型图2.2四分之一锂电解槽模型电解槽四分之一模型网格划分后单元数为120708，顶点单元数为29，边单元数为832，边界单元数为18589。表2.1为氯化锂、氯化钾和氯化锂-氯化钾的性质。工程实践中熔盐电解制备金属锂时，氯化锂-氯化钾低共熔混合物在352℃左右的时候熔化，所以通常使用氯化锂-氯化钾熔盐体系。熔融低共熔混合物的特性对电解产品的质量和电解过程是非常重要的，将影响生产锂的效率。表2.1氯化锂、氯化钾和氯化锂-氯化钾的性质性质氯化锂氯化钾共晶熔盐熔点/℃605765362沸点/℃13621427—蒸发热/（kJ/mol）154.376180.587—在电解槽正常工作后，随着电解过程的进行氯化锂会电离变为锂离子，逐渐向阴极靠拢聚集。电解生成的锂金属通过电解质开始上浮到熔盐表面，这是因为锂的密度很小，比重的差异造成熔融锂上升抬起便于收集。在阳极周围则会产生和聚集大量的氯气，因为氯气散失在周围环境中会造成比较严重的污染，对工作人员有害，所以需要在则在阳极上方对氯气做收集处理。电解槽内因为隔板的阻挡，反应生成的金属锂会与氯气分开，隔板的作用即为避免槽内生成的锂和氯气发生二次反应，从而使得电解效率下降。虽然该设备在反应中的电化学体系的电解质为质量比为1:1的氯化锂-氯化钾低共熔混合物，但是在电解过程中氯化锂消耗很快，因此电解过程中需要不断补充，氯化钾的消耗速度比较慢，主要是散失在环境中挥发流失，所以补充的量比较少，对电解槽工况的影响也比较校电解槽的温度控制在420℃左右，它比混合料的熔点（约360℃）高出60℃,选择石墨作为电极，负极材料为低碳钢。由于金属锂的熔点为180℃，密度为0.534g/cm3。金属锂在阴极析出后，立刻以液态形式浮于电
第二章锂电解槽电场数值模拟13从而使得电解槽熔体电压增大，电解槽的能耗变大。因此模拟分析得出最佳条件进行电解，使得槽内熔体电压及电流密度都位于合理范围内，在满足电解正常进行所需要的条件下，尽可能地提高电解槽的电解效率。隔板的作用是阻止电解反应生成的金属锂与阳极附近产生的氯气发生二次反应，同时隔板下半部分为孔状结构，保证电解质可以在阴极与阳极之间流动使得电解反应能够顺利进行。因为金属锂的密度很小，所以生成的金属锂悬浮在电解槽上部，通过导锂管流入到真空吸取装置中的浇注模进行浇注。图2.3电解槽电场切片图如图2.3所示为电解槽的电场切片图，从电解槽模型的电场切片图可以看出：电解槽内电场的分布区域包括阳极区、阴极区和熔盐区。其中阳极区域电势最高，阴极区域电势最低，金属锂单质主要在阴极表面析出，并缓慢上升至熔盐表面。由于反应主要集中在阳极和阴极之间的部分，因此该区域以外的位置如阴极与熔盐间的区域电势比较低，从而导致带电离子在阴极与熔盐之间的区域所受到的电场力很小进而导致电解反应较慢。位于阳极与阴极间的电解质区域的电压分布呈现梯度变化，变化趋势明显得从阴极到阳极电压逐渐增加。从电解槽电场分布可以看出当阴阳极间相对接触面积变大时，阴极和阳极中间的电解质会变得更多，由此而导致在实际中的电化学反应也更迅速，所以电解槽的电场分布为电解槽结构优化提供了参考依据，根据电场切片分布选择所要优化的结构参数为电解槽内的阳极直径、阳极插入深度、极间距和阴极插入深度四个主要参数。2.2.1阳极直径对电场分布的影响由上一节的仿真结果，选阳极直径a分别是180mm，200mm，220mm，240mm，
【参考文献】：
期刊论文
[1]稀土电解槽温度场的模拟分析与研究[J]. 王海辉,逄启寿,郜飘飘. 稀有金属与硬质合金. 2017(04)
[2]大电流稀土电解槽三维电场的数值仿真[J]. 王海辉,逄启寿,郜飘飘. 中国稀土学报. 2017(04)
[3]适应风电消纳的铝电解阳极气泡行为建模[J]. 何桂雄,熊敏,张红亮,唐艳梅,江南. 矿冶工程. 2016 (06)
[4]氯化锂-氯化钾熔盐中二氧化铈的熔解还原[J]. 黄一飞,孟照凯,林如山,贾艳虹,何辉,林铭章. 无机盐工业. 2016(10)
[5]8kA稀土电解槽阴极对电场影响的数值模拟[J]. 逄启寿,王飞,郜飘飘,徐金. 机械设计与制造. 2016(02)
[6]阳极结构调整对稀土电解槽的影响[J]. 王亮亮,颜波,刘木根. 中国稀土学报. 2015(02)
[7]基于ABAQUS的电解槽温度应力快速分析[J]. 秦忠国,魏雨露,刘聪,李全海. 科技导报. 2014(08)
[8]KCl对镁电解槽分解电压的影响[J]. 鲁世林. 轻金属. 2013(03)
[9]铝电解高效节能技术应用与研究现状[J]. 冯乃祥,彭建平,王耀武,狄跃忠,王紫千. 材料与冶金学报. 2010(S1)
[10]VB与Ansys及Matlab混合编程计算铝电解槽磁场[J]. 杨溢,曹斌,郑莆. 轻金属. 2009(07)
博士论文
[1]基于铝电解槽热平衡分析的氟化铝添加量控制策略研究[D]. 黄涌波.中南大学 2008
[2]熔盐电解法制备镁锂和镁锆合金研究[D]. 陈增.哈尔滨工程大学 2008
硕士论文
[1]基于神经网络的铝电解温度控制的研究[D]. 刘冰.北方工业大学 2017
[2]万安级稀土电解槽电场和流场模拟及开发设计[D]. 华园东.江西理工大学 2015
[3]LiCl-KCl-CsCl熔盐体系密度和电导率的研究[D]. 李金泽.东北大学 2015
[4]基于ANSYS的铝电解槽电场分布计算与电极结构优化研究[D]. 高洁.中南大学 2010
[5]基于神经网络的铝电解槽氟化铝添加量研究[D]. 魏玉倩.北方工业大学 2010
[6]350kA预焙铝电解槽故障诊断系统的研究[D]. 丁蕾.北方工业大学 2006
[7]低温铝电解生产工艺研究[D]. 曹阿林.郑州大学 2005
[8]2000安培电解槽制取金属锂优化工艺研究[D]. 狄晓亮.中国科学院研究生院（青海盐湖研究所 ） 2005
本文编号：3119161
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
悬挂式阴极锂电解槽二维简图
第二章锂电解槽电场数值模拟11（a）实体模型（b）网格划分模型图2.2四分之一锂电解槽模型电解槽四分之一模型网格划分后单元数为120708，顶点单元数为29，边单元数为832，边界单元数为18589。表2.1为氯化锂、氯化钾和氯化锂-氯化钾的性质。工程实践中熔盐电解制备金属锂时，氯化锂-氯化钾低共熔混合物在352℃左右的时候熔化，所以通常使用氯化锂-氯化钾熔盐体系。熔融低共熔混合物的特性对电解产品的质量和电解过程是非常重要的，将影响生产锂的效率。表2.1氯化锂、氯化钾和氯化锂-氯化钾的性质性质氯化锂氯化钾共晶熔盐熔点/℃605765362沸点/℃13621427—蒸发热/（kJ/mol）154.376180.587—在电解槽正常工作后，随着电解过程的进行氯化锂会电离变为锂离子，逐渐向阴极靠拢聚集。电解生成的锂金属通过电解质开始上浮到熔盐表面，这是因为锂的密度很小，比重的差异造成熔融锂上升抬起便于收集。在阳极周围则会产生和聚集大量的氯气，因为氯气散失在周围环境中会造成比较严重的污染，对工作人员有害，所以需要在则在阳极上方对氯气做收集处理。电解槽内因为隔板的阻挡，反应生成的金属锂会与氯气分开，隔板的作用即为避免槽内生成的锂和氯气发生二次反应，从而使得电解效率下降。虽然该设备在反应中的电化学体系的电解质为质量比为1:1的氯化锂-氯化钾低共熔混合物，但是在电解过程中氯化锂消耗很快，因此电解过程中需要不断补充，氯化钾的消耗速度比较慢，主要是散失在环境中挥发流失，所以补充的量比较少，对电解槽工况的影响也比较校电解槽的温度控制在420℃左右，它比混合料的熔点（约360℃）高出60℃,选择石墨作为电极，负极材料为低碳钢。由于金属锂的熔点为180℃，密度为0.534g/cm3。金属锂在阴极析出后，立刻以液态形式浮于电
第二章锂电解槽电场数值模拟13从而使得电解槽熔体电压增大，电解槽的能耗变大。因此模拟分析得出最佳条件进行电解，使得槽内熔体电压及电流密度都位于合理范围内，在满足电解正常进行所需要的条件下，尽可能地提高电解槽的电解效率。隔板的作用是阻止电解反应生成的金属锂与阳极附近产生的氯气发生二次反应，同时隔板下半部分为孔状结构，保证电解质可以在阴极与阳极之间流动使得电解反应能够顺利进行。因为金属锂的密度很小，所以生成的金属锂悬浮在电解槽上部，通过导锂管流入到真空吸取装置中的浇注模进行浇注。图2.3电解槽电场切片图如图2.3所示为电解槽的电场切片图，从电解槽模型的电场切片图可以看出：电解槽内电场的分布区域包括阳极区、阴极区和熔盐区。其中阳极区域电势最高，阴极区域电势最低，金属锂单质主要在阴极表面析出，并缓慢上升至熔盐表面。由于反应主要集中在阳极和阴极之间的部分，因此该区域以外的位置如阴极与熔盐间的区域电势比较低，从而导致带电离子在阴极与熔盐之间的区域所受到的电场力很小进而导致电解反应较慢。位于阳极与阴极间的电解质区域的电压分布呈现梯度变化，变化趋势明显得从阴极到阳极电压逐渐增加。从电解槽电场分布可以看出当阴阳极间相对接触面积变大时，阴极和阳极中间的电解质会变得更多，由此而导致在实际中的电化学反应也更迅速，所以电解槽的电场分布为电解槽结构优化提供了参考依据，根据电场切片分布选择所要优化的结构参数为电解槽内的阳极直径、阳极插入深度、极间距和阴极插入深度四个主要参数。2.2.1阳极直径对电场分布的影响由上一节的仿真结果，选阳极直径a分别是180mm，200mm，220mm，240mm，
【参考文献】：
期刊论文
[1]稀土电解槽温度场的模拟分析与研究[J]. 王海辉,逄启寿,郜飘飘. 稀有金属与硬质合金. 2017(04)
[2]大电流稀土电解槽三维电场的数值仿真[J]. 王海辉,逄启寿,郜飘飘. 中国稀土学报. 2017(04)
[3]适应风电消纳的铝电解阳极气泡行为建模[J]. 何桂雄,熊敏,张红亮,唐艳梅,江南. 矿冶工程. 2016 (06)
[4]氯化锂-氯化钾熔盐中二氧化铈的熔解还原[J]. 黄一飞,孟照凯,林如山,贾艳虹,何辉,林铭章. 无机盐工业. 2016(10)
[5]8kA稀土电解槽阴极对电场影响的数值模拟[J]. 逄启寿,王飞,郜飘飘,徐金. 机械设计与制造. 2016(02)
[6]阳极结构调整对稀土电解槽的影响[J]. 王亮亮,颜波,刘木根. 中国稀土学报. 2015(02)
[7]基于ABAQUS的电解槽温度应力快速分析[J]. 秦忠国,魏雨露,刘聪,李全海. 科技导报. 2014(08)
[8]KCl对镁电解槽分解电压的影响[J]. 鲁世林. 轻金属. 2013(03)
[9]铝电解高效节能技术应用与研究现状[J]. 冯乃祥,彭建平,王耀武,狄跃忠,王紫千. 材料与冶金学报. 2010(S1)
[10]VB与Ansys及Matlab混合编程计算铝电解槽磁场[J]. 杨溢,曹斌,郑莆. 轻金属. 2009(07)
博士论文
[1]基于铝电解槽热平衡分析的氟化铝添加量控制策略研究[D]. 黄涌波.中南大学 2008
[2]熔盐电解法制备镁锂和镁锆合金研究[D]. 陈增.哈尔滨工程大学 2008
硕士论文
[1]基于神经网络的铝电解温度控制的研究[D]. 刘冰.北方工业大学 2017
[2]万安级稀土电解槽电场和流场模拟及开发设计[D]. 华园东.江西理工大学 2015
[3]LiCl-KCl-CsCl熔盐体系密度和电导率的研究[D]. 李金泽.东北大学 2015
[4]基于ANSYS的铝电解槽电场分布计算与电极结构优化研究[D]. 高洁.中南大学 2010
[5]基于神经网络的铝电解槽氟化铝添加量研究[D]. 魏玉倩.北方工业大学 2010
[6]350kA预焙铝电解槽故障诊断系统的研究[D]. 丁蕾.北方工业大学 2006
[7]低温铝电解生产工艺研究[D]. 曹阿林.郑州大学 2005
[8]2000安培电解槽制取金属锂优化工艺研究[D]. 狄晓亮.中国科学院研究生院（青海盐湖研究所 ） 2005
本文编号：3119161
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