مقاله شبیه سازی سیالاتی چند نوع سلول الکتروویننینگ صنعتی

بخشی از مقاله

چکیده

استفاده از روش هیدرومتالورژی برای تولید مس بعلت مزایای زیاد آن منجمله ارزان بودن، در جهان بسیار کاربرد پیدا کرده است. مرحله آخر تولید مس بروش هیدرومتالورژی که در فرایند لیچینگ اتفاق میافتد، الکترووینینگ نام دارد. فرایندی که در سلول الکترووینینگ صورت میگیرد باعث جدایش یونهای مس از محلول و نشستن بر روی کاتد و در نتیجه ایجاد مس با گرید A می¬شود، و بالعکس در آند حبابهای اکسیژن آزاد میشود که با آمدن آنها به سطح محلول سلولها، و ترکیدن باعث ایجاد مه آلودگی اسیدی می¬شود.

بعلت سخت بودن شبیه سازی پدیده های انتقال در فرایند الکترووینینگ، در زمینه مدلسازی الکتروویننینگ کارهای انگشت شماری در سطح جهان انجام شده است. در این مقاله ضمن بررسی برخی مدلسازیها و آزمایشات سیالاتی انجام شده در سلولهای الکتروویننینگ به مدلسازی سیالاتی در این مدلها خواهیم پرداخت و نتایج را مقایسه می کنیم.

مدل سازی سیالاتی دو و سه بعدی، پایدار و دو فازی طبق دیدگاه اولری -اولری انجام شده است. تعداد 11 معادله دیفرانسیل جزئی کوپل شده شامل معادلات ممنتوم، پیوستگی، مدل جریان آشفته k، معادله انتقال یونهای مس در محلول الکترولیت برای مسئله سه بعدی حل شدند. در این معادلات نیروهای شناوری، دراگ، پراکندگی آشفته و شناوری غلظتی در نظر گرفته میشوند.

-1 مقدمه

الکترووینینگ مس فرآیند بازیابی مس از الکترولیت به صورت جامد روی صفحه کاتد است که با عبور جریان الکتریکی از میان الکترولیت به منظور جذب یون¬ های مس روی کاتد صورت می¬گیرد. الکترووینینگ مس در یک هندسه مکعب مستطیل شکل با دو صفحه الکترود که رو به روی هم قرار دارند، اتفاق می¬افتد. جریان بین دو الکترود حرکت می¬کند و یون¬های مس را روی کاتد تخلیه می¬کند. حباب¬های اکسیژن هم روی آند تولید می¬شوند. حباب¬ ها از محلول الکترولیت عبور نموده و در سطح آزاد الکترولیت می¬ ترکند.

به دلیل آزاد¬سازی اکسیژن روی آند این الکترود باید خنثی باشد، که به این منظور از آند سربی استفاده می¬شود. مشخص است که حباب¬های اکسیژن باعث ایجاد یک ناحیه¬ی چرخشی بزرگ می¬شوند و این چرخش به دلیل داشتن طبیعت اختلاط اثر زیادی در انتقال جرم مس روی کاتد دارد. در فرآیند الکترووینینگ واکنش¬های - 1 - و - 2 - انجام می¬شود: مطالعات انگشت شماری در مورد مدلسازی هیدرودینامیکی در سلول الکتروویننینگ انجام شده است. در این مطالعه ابتدا با بررسی برخی از سلولهای الکتروویننینگ که دید کاملتری نسبت به مدلسازی سلول الکتروویننینگ میدهند به مدلسازی آنها میپردازیم.

مقاله لیهی و شوارز [2] ، یکی از جدیدترین مقالهها در مورد شبیه سازی سیالاتی داخل سلول الکترووینینگ به حساب میآید. در این مقاله یک مدل CFD برای شبیه سازی فرایند الکترووینینگ مس و برای مدل کردن انتقال جریان و جرم در فضای بین الکترودی یک جفت صفحه تکی - یک آند و کاتد - با هندسه و پارامترهای عملیاتی EW صنعتی بکار برده شد. مدل CFD یک ناحیه چرخشی را پیش بینی می¬کند. مدل دو فازی اویلری-اویلری گاز-سیال بکار برده شد. فاز پیوسته مایع الکترولیت و فاز ناپیوسته حباب-های گازی اکسیژن هستند. در این مقاله فرض شده قطر حباب¬ها حدود 150 میکرون باشد.

مدل توربولانسی که برای حل در این مقاله بکار رفته است، مدل توربولانسی است. نتایجی که از این مقاله در دسترس قرار می¬گیرد عبارتند از: محاسبه میدان سرعت، کانتورهای غلظت مس، کانتورهای کسر حجمی اکسیژن، کانتورهای مربوط به ویسکوزیته آشفته جریان. فیلزویسر در مقاله[4] سلول الکتروویننینگ آزمایشگاهی خاصی را برای بررسی سرعت و لایه مرزی بین دو الکترود بنا کرد و توسط روش لیزری - LDA - نتایج آزمایشگاهی دقیقی را بدست آورد.

نجمی و همکاران در مقاله¬ای [8] به شبیه سازی جریان الکترولیت در یک سلول پالایش مس به کمک دینامیک سیالات محاسباتی، پرداختند و سعی کردند جریان دوفازی الکترولیت و حباب را برای سلول¬های پالایش مس مدل کنند. مدل توربولانسی که برای حل در این مقاله بکار رفته است، مدل توربولانسی k- است. نجمی در مقاله [] به مدلسازی سلول الکتروویننیگ مس سرچشمه پرداخته است. در این مطالعه قسمتی از سلول مس سرچشمه با فرض سیمتریک بودن و به صورت سه بعدی مدلسازی شده است. مدل توربولانسی که برای حل در این مقاله بکار رفته است، مدل توربولانسی است.

در این مقاله به مدلسازی سلولهای الکتروویننینگ مورد مطالعه قرار گرفته توسط لیهی، فیلزویسر و نجمی میپردازیم. انتخاب این سه مدل به این دلیل است که در آنها سه گونه سلول مختلف از نظر هندسی، تعداد ابعاد و شرایط مرزی وجود دارد. آنها را بصورت جامع در مجموعه برنامههای انسیس مدل میکنیم. و با نتایج آزمایشگاهی و یا CFD موجود اعتبار سنجی میکنیم. بدین ترتیب دید کاملی نسبت به شبیه سازی این مسئله پیچیده چندفازی در حالتهای مختلف پیدا خواهیم کرد و با مدلسازی یکپارچه در انسیس سی اف ایکس قابلیت مدلسازی را برای بسیاری از سلولهای الکتروویننینگ پیدا خواهیم کرد.

روش حل در این مقاله مدل اویلری- اویلری میباشد. این مدل معادلات مومنتوم و پیوستگی را برای هر فاز حل میکند. ارتباط این معادلات از طریق فشار و ضرایب تبادل بین فازی صورت می¬گیرد. این ارتباط به نوع فازها بستگی دارد. توصیف جریان چند فازی به عنوان محیط پیوسته ی در هم نفوذ کننده، بیان کننده ی مفهوم کسرهای حجمی فازی می باشد که با نشان داده می شود. کسر حجمی بیانگر فضای اشغال شده توسط هر فاز است و قوانین بقای جرم و مومنتوم برای هر فاز به طور جداگانه ارضاء می شود.

-1-2معادلات اصلی

مدل شبیه سازی این سلول مدل اویلری- اویلری میباشد. این مدل معادلات مومنتوم و پیوستگی را برای هر فاز حل می کند. توصیف جریان چند فازی به عنوان محیط پیوسته و در هم نفوذ کننده، بیان کننده مفهوم کسرهای حجمی فازی می باشد که با نشان داده می شود. کسر حجمی بیانگر فضای اشغال شده توسط هر فاز است و قوانین بقای جرم و مومنتوم برای هر فاز به طور جداگانه ارضاء می شود.