بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به شبیهسازی هیدرودینامیکی سلول الکتروویننینگ مس میدوک با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در نرمافزار انسیس سیافایکس پرداخته میشود. معادلات ناویر استوکس و پیوستگی بصورت دو فازی مایع و گاز، آشفته، تراکم ناپذیر و حالت پایدار در نظر گرفته میشوند و با روش اولری-اولری مدل میشوند. بعلت زیاد بودن تغییرات خواص، نزدیک کاتد و آند و همچنین بزرگ بودن حجم سلول الکتروویننینگ برای داشتن شبکه خوب و افزایش دقت جواب از شبیه-سازی کلی و موضعی در کنار هم استفاده شده است.
ابتدا در شبیهسازی کلی، کل هندسه سلول با ایجاد شبکه مناسب مدل میشود سپس در شبیه سازی موضعی تنها حجم بین دو کاتد از سلول در نظر گرفته شده و مدل میشود. دادههای مربوط به شرایط مرزی صفحات مرز مشترک در شبیهسازی موضعی از دادههای مربوط به شبیهسازی کلی بدست میآید. در آخر نیز ناحیهای خاص از سلول که شامل حجم مربوط به فاصله بین الکترودی نمیشود با استفاده از دادههای مدل موضعی، شبیه-سازی خواهد شد و توسط این شبیهسازی نتایج با دقت بالا استخراج شده و با نتایج دیگر مدلسازی مقایسه خواهند شد.
-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 یونهای مس روی کاتد صورت میگیرد. الکترووینینگ مس در یک هندسه مکعب مستطیل شکل با دو صفحه الکترود که رو به روی هم قرار دارند، اتفاق میافتد. جریان بین دو الکترود حرکت میکند و یونهای مس را روی کاتد تخلیه می کند. حبابهای اکسیژن هم روی آند تولید میشوند. حبابها از محلول الکترولیت عبور نموده و در سطح آزاد الکترولیت می ترکند .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.[1]
مطالعات انگشت شماری در مورد مدلسازی هیدرودینامیکی در سلول الکتروویننینگ انجام شده است. در این مطالعه ابتدا به بررسی برخی از مطالعات انجام شده میپردازیم. مقاله لیهی و شوارز [2,3] ، از جدیدترین مقالهها در مورد شبیه سازی سیالاتی داخل سلول الکترووینینگ به حساب می-آید. در این مقاله برای مدل کردن انتقال جریان و جرم در فضای بین الکترودی یک جفت صفحه تکی - یک آند و کاتد - با هندسه و پارامترهای عملیاتی فرایند الکترووینینگ مس، مدل CFD دو بعدی، دو فازی گاز-سیال ، اویلری-اویلری و آشفته بکار برده شد.
مدل CFD یک ناحیه چرخشی را پیش بینی می کند . 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. در این مدل با در نظر گرفتن عرض بلند آند و کاتد، فضا کاملا دو بعدی مدل سازی شده است.
در مقاله فیلزویسر [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. این سلول شامل یک آند و کاتد با ورودی و خروجی بود. در بحث مدلسازی سلول کلی سلول الکتروویننینگ، نجمی در مقاله [5] 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 پا را فراتر نهاده و تمام یک سلول الکتروویننینگ بصورت کامل، سه بعدی مدل سازی شده است. برای رفع مشکل دقت و زمان بر بودن مدل سازی، از روش مدلسازی محلی و کلی استفاده کردیم که شبیه این روش در مسائل دیگر برای مثال سلول پالایش مس در مقاله [6] بکار رفته است و برای اولین بار در سلول الکتروویننینگ بکار گرفته شده است.
نتایج در بحث مدلسازی با نتایج آزمایشگاهی و تئوری مدلهای دیگر که توسط دیگران انجام شده است کاملا مطابقت دارد. از آنجا که مدل بصورت کامل و بدون فرضیات زیاد انجام شده است مدل واقعی تر و شرایط مرزی فضاهای موضعی، دقیق تر خواهد بود. مزیت دیگر مدلسازی کلی و موضعی سلول الکتروویننینگ زمان محاسبات کمتر در بهینه سازی مهندسی خواهد بود.
-2-1مدلسازی
برای شروع شبیهسازی ابتدا تمامی مراحل زیر را باید قدم به قدم در نرمافزار طراحی انسیس سیافایکس [8] پیاده شود. اولین قدم در شبیه سازی در مدل کردن هندسه سلول الکتروویننینگ مس میدوک بر اساس نقشههای اجرایی موجود است. از آنجا که سلول الکتروویننینگ هم از لحاظ فیزیکی و هم هندسی متقارن میباشد، در شکل 1 مدل هندسی نصف این سلول نمایش داده شده است. قدم بعد برای شبیه سازی تولید مش یا شبکه روی میدان حل میباشد. مش بندی دارای قواعد مهمی است که باید رعایت شود:
❖ مش خوب، متناسب با گرادیانهای غلظتی یا سرعتی در نواحی مختلف ریز تر یا درشت تر میشود.
❖ کل مش ها تا حد امکان به مکعب در شبکه های سازمان یافته و در غیر سازمان یافته به چهار وجهی منتظم نزدیک باشد. در مش بندی رعایت این عوامل باعث میشود که با کمترین تعداد مش بیشترین دقت در حل و همچنین همگرایی حل را داشته باشیم. مش بندی در هندسه سلول الکتروویننینگ با رعایت موارد بالا انجام شد و در نواحی مختلف برای افزایش سرعت حل از نوع مختلف مش سازمانیافته و غیرسازمانیافته استفاده شد. تعداد مش در طول حل برای همگرایی سریعتر متغیر در نظر گرفته شد، یعنی حل مسئله ابتدا با تعداد مش 6 10 شروع و تا حداکثر تعداد مش 6 6.3 10 در آخر حل رسید.
