有色金属(冶炼部分)2011年4期
DOI:10.3969/J.issn.1007--7545.2011.04.007
・
23
・
稀土电解槽内电解质导热系数的计算
刘中兴1,张桢1,伍永福1,洪昌勇2,李曙阳3
(1.内蒙古科技大学材料与冶金学院,包头014010;2.宝钢集团上海梅山有限公司炼铁厂,南京210041;
3.呼和浩特中燃城市燃气发展有限公司,呼和浩特014000)
摘要:根据混合熔盐导热系数计算原则,通过计算稀土电解槽内电解质单组分熔盐导热系数,从而预测稀土电解槽内三元系电解质熔盐导热系数,为稀土电解槽内温度场的研究提供了一个重要物性参数。关键词:稀土电解槽;电解质熔盐;导热系数
中图分类号:TGl46.4;TF450.4
文献标识码:A
文章编号:1007—7545(2011)04--0023--03
CalculationofElectrolyte’SThermalConductivity
inRareEarthElectrolyticCell
LIUZhong—xin91,ZHANG
(1.Schoolof
Zhenl,WU
and
Yong—ful,HONGChang—yon92,LIShu-yan93
College,Inner
MaterialsMetallurgyMongoliaUniversityofScienceand
Technology,Baotou014010。China;2.BaosteelGroup,ShanghaiMeishanIron
Co.,Ltd.,Nanjing
210041,China
3.HohhotZhongranCityGasDevelopmentCo.,Ltd.,Hohhot014000,China)
Abstract:Based
on
thecalculationprincipleofthermalconductivityofthemixedmoltensalt,thethermal
rare
conductivityoftheone-componentmoltensaltintheearthelectrolyticcellwascalculated.Withthe
can
calculation,thethermalconductivityofternarysystemmoltensaltelectrolytebepredicted,thusprovi—
earthelectrolyticcell.
dingimportantphysicalparametersfortheresearchoftemperaturefieldinthe
rare
Keywords:Rareearthelectrolyticcell;Electrolytesmeltingsalt;Thermalconductivitycoefficient
在稀土氟化物熔盐电解生产过程中,电解质的温度分布是影响稀土熔盐电解的一个很重要的因素,它直接关系到电流效率和电能消耗[1]。而电解质物性参数的确定是研究电解槽内温度场分布的重要前提,特别是导热系数的确定[z]。在实际生产过程中,NdF。-LiF—Nd。0。系电解质存在熔点高、腐蚀性强、挥发损失较严重等特点[3],对其导热系数的实验测量存在很多困难,前人研究较少。本文根据混合熔盐导热系数计算原则,通过计算单组分纯物质电解质熔盐的导热系数,从而确定三元系电解质熔盐的导热系数。
1
单组分纯物质电解质熔盐导热系数
熔融态电解质中离子主要运动形式是热振动,
的计算
其次还有扩散,离子间通过依次碰撞和扩散运动,实
现热量传递¨j。根据这一特点,在稀土电解槽中单
组分纯物质电解质熔盐导热系数的理论估算可按照以下几类模型进行:类晶模型、晶格模型、硬球模
型‘“。
1.1类晶模型
在类晶模型中,热量在纯物质电解质熔盐中以
声速传递,可按照Bridgeman公式和Kincaid—Ey-
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51064020、50664007);内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJ09083)
作者简介:刘中兴(1969一),男,河北赵县人,教授.
・
24
・
有色金属(冶炼部分)2011年4期
A。=64/75[m。/(k3T)]m(2173/Nz3)AV273
A。=a+绻手一(V—V。)/V,
ring方程进行计算。
1.1.1
Bridgeman公式[6-s]
A=kU/12
U=4-W/p。
z=[V/(nNA)]V3
1.1.2
则上式可简化为:
.;I。=1.936×107(帆/RT)172AV273
2混合熔盐导热系数的计算
对于混合熔盐的导热系数,可以运用Arrhe—nius混合规则、混合物导热系数预测方法‘101、混合物导热系数的修正的幂律关系式来计算‘11]。
2.1
Kincaid・Eyring方程
A=(0.931/y172)3k(nNAIV)273U
固体和液体的恒压热容和恒容热容近似相等,即y=1,则上式可等效为:
A=2.793k(nNA/v)273U1.2晶格模型‘’]
Arrhenius混合规则
在晶格模型中,热量在传递的过程中要同时考虑热振动和扩散运动,可按照Gustafsson方程进行
计算。
A一∑z,A;
2.2混合物导热系数预测计算方法
A=6k/(zg)・(nNA/v)1门・[2kT/(nm)]172
A≯=∑A秒W,+∑∑B#WiW』
2.3混合物导热系数的修正幂律关系式
优=(舰M,/孵)“2
1.3硬球模型
在硬球模型中,把离子当作无内部结构的硬球,离子间除碰撞瞬间外无相互作用力,为完全弹性碰撞。热量在传递的过程中考虑了热振动和扩散运动,同时考虑了温度、压力和离子质量等因素对导热系数的影响,可按下式计算。
表1
Table1
Ah一[I--0.I军军舞--0.7职形]/善nc睾,5
(ALi>.=IL)
3计算结果及分析(表1~3)
Arrhenius混合规则计算结果
bytheArrheniusmixingrule
Theresultscalculated
表2混合物导热系数预测计算结果
Table2
Theresults
calculatedbymixturethermalconductivity
prediction
calculationmethod
0.550098016
0.8420.8270.8130.7970.782
721561268579978
O.6390.6450.6510.656O.666O.673
769689609989559428
0.7500.7560.7620.7710.7790.786
626782665878149746
i1}
3333333
0.539
0.5283680.5170.5050.4940.4830.4720.464
346596948393135191
0.7676690.7520.736O.716
599799002
O.6799960.6860.692
213961
0.793078O.8010.808
262159
他∞叮坨"盯弛"3
(1)在类晶模型中,可按照Bridgeman公式和变化值主要分布在0.7~0.85w/(m・K),为稀土
Kincaid—Eyring方程进行计算。Kincaid—Eyring方
程在Bridgeman公式的基础上考虑了多原子分子内
电解槽内温度场的研究提供了一个重要物性参数。
符号说明:
部自由度,引入了Eucken修正因子,从而使纯物质熔盐导热系数的计算结果更加精确合理化。
(2)在品格模型中,可按照Gustafsson方程进行计算。热量在传递的过程中同时考虑了热振动和
k--Boltzmann常数,1.38×10q3J/K;B一纯物质熔盐的体积弹性模量,GPa,P一对应温度下熔盐密度,kg/m3;l~粒子之间的距离,m;V一纯物质熔盐的摩尔体积,m3/mol;NA—Avogadro常数,6.02×1023/mol;n一每种物质化学式中的离子个数;y一恒压热容与恒容热容比值,C。/Cv;s/一阴
阳离子半径之和(“+r-)与离子间距离(d)之差,
扩散运动对传热的影响,计算时要计算出阴阳离子半径之和以及离子间距,但是阴阳离子半径和离子间距受温度等因素影响变化很大,因此使计算结果
不够准确。
m;T一温度,K;m一分子质量,kg;M。一阴离子摩尔质量;M。一阳离子摩尔质量;A。一对应态熔盐的导热系数;V。一熔点时液态盐的摩尔体积;
(3)在硬球模型中,可按照硬球模型的计算公式计算。热量在传递的过程中考虑了热振动和扩散运动,同时考虑了温度、压力和离子质量等因素对导热系数的影响,计算结果比较精确。
(4)混合熔盐导热系数的计算可按照Arrhe—nius混合规则、混合物导热系数预测计算方法和混合物导热系数的修正幂律关系式计算。混合物导热系数预测计算方法在Arrhenius混合规则的基础上考虑了组分间相互作用对导热系数的影响,而混合物导热系数的修正幂律关系式又在混合物导热系数预测计算方法基础上加入了修正因子,使计算结果
准确性更高。
V;一熔点时固态盐摩尔体积;眠一盐的摩尔质
量,kg/mol;R一气体常数,8.314J/(tool・K);A一通过类比得出的纯物质熔盐导热系数,W/(m・K);Ai是纯物质组元i的导热系数,W/(m・K);z:、Wi、W,一纯物质组元i、歹的物质百分含量;B。一混合物中组分i和组分歹导热系数的函数B。=f(2i,Aj.),对非水混合体系,B。一2×10一;A“、ALJ一纯物质组元i、J的导热系数,W/(m・K)。
参考文献
4
结论
[13邓左民,张小联,王俊.稀土电解槽温度场的数值分析’
(1)按照类晶模型、晶格模型、硬球模型3种模型,计算了稀土电解槽内电解质单组分纯物质熔盐导热系数,发现Kincaid—Eyring方程和硬球模型计算结果较准确;
(2)根据混合熔盐导热系数计算原则,预测了稀土电解槽内电解质熔盐的导热系数,其中混合物导热系数的修正幂律关系式预测结果准确性更高;
(3)稀土电解槽内电解质熔盐导热系数随温度
[J].江西有色金属.2004。18(1):16—18.[2]TakaoMori.Thermal
ieosahedral
conductivityof
a
“
rare—earth
Blz—
compoundEJ].Physica
B,2006-,383:120一121.
[3]中山大学金属系.稀土物理化学常数[M].北京:冶金
工业出版社,1978.
[4]StelesS,GlocknerR,GrenvoldF.JChemThermody—
nam-icsEJ].1996。28(11):1263.
(下转第39页)
(3)在低电流密度条件下,流速增大,电沉积速率增大,而高电流密度条件下,流速对沉积速率没什
么影响;pH对金的沉积率影响不大;
(4)向溶液加入2g/LNa。SO。后,电沉积效率有明显的提高。
参考文献
[1]王自森,符斌.现代金银分析[M].北京:冶金工业出版
社,2006.
时J日J/h
E2]陈刚,杨立.炭纤维电积法从贵液中回收金EJ].黄金,
图5
Na:s03添加置对金电沉积速率的影响
Effect
1992,10(6):36—41.
Fig.5
ofNa2S03quantity
on
gold
[3]钱炳青.炭浆提金工艺中电解槽的设计[J].黄金,1987
(1):28—31.
electrodepositionrate
[4]Depestel
L
M,StrubbeK.Electrodepositionofgoldfrom
on
解槽(阴极碳纤维己载金),溶液金浓度会比原来有所增加,表明此时阴极上的金有溶解,当加入Na。SO。后,Na:SO。可在阳极氧化,减少溶液中氧
气量,有利于金的析出。
cyanidesolutions
different-GaAs
crystalfaces[J].
JournalofElectroanalyChemistry,2004,572:195—
201.
[5]Yap
the
C
Y,MohamedN.Anelectrogenerative
ofgoldfromcyanide
process
for
3
结论
(1)活性炭纤维为阴极电极材料时效果最好,最
recovery
solutions[J].Chemo—
sphere,2007,67:1502—1510.
[6]BARBOSALAD,SOBRALLGS.Goldelectrowining
佳电沉积时间为6h;
fromdilutedcyanideliquors:performanceevaluationofdifferentreaction
(2)电流密度是影响金电沉积速率的主要因素,电流密度越大沉积速率也越快,最佳电流密度为
83.3A/m2:
systems[J].Minerals
Engineering,
Z001,14(9):963—974.
[7]胡玉蓉,周泉.用于回收金的箱式电解槽的设计和应用
[J].湿法冶金,2005,24(3):143—145.
(上接第25页)
[5]彭强,魏小兰,丁静,等.三元硝酸熔盐导热系数的计算
[J].无机盐工业,2009,41(2):56—58.
[6]劳振花,姜兆波.液体体积弹性模量与温度关系测量实
验研究EJ].科学技术与工程,2009,9(2):387—390.
距之间关系的探讨EJ].安徽工业大学学报,2008,25
(5):270—274.
[93王克强,冯瑞英.一种计算金属原子半径和离子半径的
方法[J]。平顶山师专学报,2004,19(2):14—17.[103王利亚,王克强.计算混合液体导热系数新方法[J].
化学工程,1999,27(4):45—51.
[7]VatandasM,AliBulintKoc,KocC.Ultrasinicvelocity
measurementsinethan01..waterandmethanol—.watermix—.
tures[J].Eur
006—0448.
Food
res
Technol,DOI10.1007/s00217\
[11]王双成,石玉冰,徐孀,等.利用修正的幂律关系式预
测液体混合物的导热系数[J].石油化工,2010,39(4):
417—42】.
[83邹勇,陈立漾.关于离子晶体熔化和拉伸断裂时离子间
有色金属(冶炼部分)2011年4期
DOI:10.3969/J.issn.1007--7545.2011.04.007
・
23
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稀土电解槽内电解质导热系数的计算
刘中兴1,张桢1,伍永福1,洪昌勇2,李曙阳3
(1.内蒙古科技大学材料与冶金学院,包头014010;2.宝钢集团上海梅山有限公司炼铁厂,南京210041;
3.呼和浩特中燃城市燃气发展有限公司,呼和浩特014000)
摘要:根据混合熔盐导热系数计算原则,通过计算稀土电解槽内电解质单组分熔盐导热系数,从而预测稀土电解槽内三元系电解质熔盐导热系数,为稀土电解槽内温度场的研究提供了一个重要物性参数。关键词:稀土电解槽;电解质熔盐;导热系数
中图分类号:TGl46.4;TF450.4
文献标识码:A
文章编号:1007—7545(2011)04--0023--03
CalculationofElectrolyte’SThermalConductivity
inRareEarthElectrolyticCell
LIUZhong—xin91,ZHANG
(1.Schoolof
Zhenl,WU
and
Yong—ful,HONGChang—yon92,LIShu-yan93
College,Inner
MaterialsMetallurgyMongoliaUniversityofScienceand
Technology,Baotou014010。China;2.BaosteelGroup,ShanghaiMeishanIron
Co.,Ltd.,Nanjing
210041,China
3.HohhotZhongranCityGasDevelopmentCo.,Ltd.,Hohhot014000,China)
Abstract:Based
on
thecalculationprincipleofthermalconductivityofthemixedmoltensalt,thethermal
rare
conductivityoftheone-componentmoltensaltintheearthelectrolyticcellwascalculated.Withthe
can
calculation,thethermalconductivityofternarysystemmoltensaltelectrolytebepredicted,thusprovi—
earthelectrolyticcell.
dingimportantphysicalparametersfortheresearchoftemperaturefieldinthe
rare
Keywords:Rareearthelectrolyticcell;Electrolytesmeltingsalt;Thermalconductivitycoefficient
在稀土氟化物熔盐电解生产过程中,电解质的温度分布是影响稀土熔盐电解的一个很重要的因素,它直接关系到电流效率和电能消耗[1]。而电解质物性参数的确定是研究电解槽内温度场分布的重要前提,特别是导热系数的确定[z]。在实际生产过程中,NdF。-LiF—Nd。0。系电解质存在熔点高、腐蚀性强、挥发损失较严重等特点[3],对其导热系数的实验测量存在很多困难,前人研究较少。本文根据混合熔盐导热系数计算原则,通过计算单组分纯物质电解质熔盐的导热系数,从而确定三元系电解质熔盐的导热系数。
1
单组分纯物质电解质熔盐导热系数
熔融态电解质中离子主要运动形式是热振动,
的计算
其次还有扩散,离子间通过依次碰撞和扩散运动,实
现热量传递¨j。根据这一特点,在稀土电解槽中单
组分纯物质电解质熔盐导热系数的理论估算可按照以下几类模型进行:类晶模型、晶格模型、硬球模
型‘“。
1.1类晶模型
在类晶模型中,热量在纯物质电解质熔盐中以
声速传递,可按照Bridgeman公式和Kincaid—Ey-
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51064020、50664007);内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJ09083)
作者简介:刘中兴(1969一),男,河北赵县人,教授.
・
24
・
有色金属(冶炼部分)2011年4期
A。=64/75[m。/(k3T)]m(2173/Nz3)AV273
A。=a+绻手一(V—V。)/V,
ring方程进行计算。
1.1.1
Bridgeman公式[6-s]
A=kU/12
U=4-W/p。
z=[V/(nNA)]V3
1.1.2
则上式可简化为:
.;I。=1.936×107(帆/RT)172AV273
2混合熔盐导热系数的计算
对于混合熔盐的导热系数,可以运用Arrhe—nius混合规则、混合物导热系数预测方法‘101、混合物导热系数的修正的幂律关系式来计算‘11]。
2.1
Kincaid・Eyring方程
A=(0.931/y172)3k(nNAIV)273U
固体和液体的恒压热容和恒容热容近似相等,即y=1,则上式可等效为:
A=2.793k(nNA/v)273U1.2晶格模型‘’]
Arrhenius混合规则
在晶格模型中,热量在传递的过程中要同时考虑热振动和扩散运动,可按照Gustafsson方程进行
计算。
A一∑z,A;
2.2混合物导热系数预测计算方法
A=6k/(zg)・(nNA/v)1门・[2kT/(nm)]172
A≯=∑A秒W,+∑∑B#WiW』
2.3混合物导热系数的修正幂律关系式
优=(舰M,/孵)“2
1.3硬球模型
在硬球模型中,把离子当作无内部结构的硬球,离子间除碰撞瞬间外无相互作用力,为完全弹性碰撞。热量在传递的过程中考虑了热振动和扩散运动,同时考虑了温度、压力和离子质量等因素对导热系数的影响,可按下式计算。
表1
Table1
Ah一[I--0.I军军舞--0.7职形]/善nc睾,5
(ALi>.=IL)
3计算结果及分析(表1~3)
Arrhenius混合规则计算结果
bytheArrheniusmixingrule
Theresultscalculated
表2混合物导热系数预测计算结果
Table2
Theresults
calculatedbymixturethermalconductivity
prediction
calculationmethod
0.550098016
0.8420.8270.8130.7970.782
721561268579978
O.6390.6450.6510.656O.666O.673
769689609989559428
0.7500.7560.7620.7710.7790.786
626782665878149746
i1}
3333333
0.539
0.5283680.5170.5050.4940.4830.4720.464
346596948393135191
0.7676690.7520.736O.716
599799002
O.6799960.6860.692
213961
0.793078O.8010.808
262159
他∞叮坨"盯弛"3
(1)在类晶模型中,可按照Bridgeman公式和变化值主要分布在0.7~0.85w/(m・K),为稀土
Kincaid—Eyring方程进行计算。Kincaid—Eyring方
程在Bridgeman公式的基础上考虑了多原子分子内
电解槽内温度场的研究提供了一个重要物性参数。
符号说明:
部自由度,引入了Eucken修正因子,从而使纯物质熔盐导热系数的计算结果更加精确合理化。
(2)在品格模型中,可按照Gustafsson方程进行计算。热量在传递的过程中同时考虑了热振动和
k--Boltzmann常数,1.38×10q3J/K;B一纯物质熔盐的体积弹性模量,GPa,P一对应温度下熔盐密度,kg/m3;l~粒子之间的距离,m;V一纯物质熔盐的摩尔体积,m3/mol;NA—Avogadro常数,6.02×1023/mol;n一每种物质化学式中的离子个数;y一恒压热容与恒容热容比值,C。/Cv;s/一阴
阳离子半径之和(“+r-)与离子间距离(d)之差,
扩散运动对传热的影响,计算时要计算出阴阳离子半径之和以及离子间距,但是阴阳离子半径和离子间距受温度等因素影响变化很大,因此使计算结果
不够准确。
m;T一温度,K;m一分子质量,kg;M。一阴离子摩尔质量;M。一阳离子摩尔质量;A。一对应态熔盐的导热系数;V。一熔点时液态盐的摩尔体积;
(3)在硬球模型中,可按照硬球模型的计算公式计算。热量在传递的过程中考虑了热振动和扩散运动,同时考虑了温度、压力和离子质量等因素对导热系数的影响,计算结果比较精确。
(4)混合熔盐导热系数的计算可按照Arrhe—nius混合规则、混合物导热系数预测计算方法和混合物导热系数的修正幂律关系式计算。混合物导热系数预测计算方法在Arrhenius混合规则的基础上考虑了组分间相互作用对导热系数的影响,而混合物导热系数的修正幂律关系式又在混合物导热系数预测计算方法基础上加入了修正因子,使计算结果
准确性更高。
V;一熔点时固态盐摩尔体积;眠一盐的摩尔质
量,kg/mol;R一气体常数,8.314J/(tool・K);A一通过类比得出的纯物质熔盐导热系数,W/(m・K);Ai是纯物质组元i的导热系数,W/(m・K);z:、Wi、W,一纯物质组元i、歹的物质百分含量;B。一混合物中组分i和组分歹导热系数的函数B。=f(2i,Aj.),对非水混合体系,B。一2×10一;A“、ALJ一纯物质组元i、J的导热系数,W/(m・K)。
参考文献
4
结论
[13邓左民,张小联,王俊.稀土电解槽温度场的数值分析’
(1)按照类晶模型、晶格模型、硬球模型3种模型,计算了稀土电解槽内电解质单组分纯物质熔盐导热系数,发现Kincaid—Eyring方程和硬球模型计算结果较准确;
(2)根据混合熔盐导热系数计算原则,预测了稀土电解槽内电解质熔盐的导热系数,其中混合物导热系数的修正幂律关系式预测结果准确性更高;
(3)稀土电解槽内电解质熔盐导热系数随温度
[J].江西有色金属.2004。18(1):16—18.[2]TakaoMori.Thermal
ieosahedral
conductivityof
a
“
rare—earth
Blz—
compoundEJ].Physica
B,2006-,383:120一121.
[3]中山大学金属系.稀土物理化学常数[M].北京:冶金
工业出版社,1978.
[4]StelesS,GlocknerR,GrenvoldF.JChemThermody—
nam-icsEJ].1996。28(11):1263.
(下转第39页)
(3)在低电流密度条件下,流速增大,电沉积速率增大,而高电流密度条件下,流速对沉积速率没什
么影响;pH对金的沉积率影响不大;
(4)向溶液加入2g/LNa。SO。后,电沉积效率有明显的提高。
参考文献
[1]王自森,符斌.现代金银分析[M].北京:冶金工业出版
社,2006.
时J日J/h
E2]陈刚,杨立.炭纤维电积法从贵液中回收金EJ].黄金,
图5
Na:s03添加置对金电沉积速率的影响
Effect
1992,10(6):36—41.
Fig.5
ofNa2S03quantity
on
gold
[3]钱炳青.炭浆提金工艺中电解槽的设计[J].黄金,1987
(1):28—31.
electrodepositionrate
[4]Depestel
L
M,StrubbeK.Electrodepositionofgoldfrom
on
解槽(阴极碳纤维己载金),溶液金浓度会比原来有所增加,表明此时阴极上的金有溶解,当加入Na。SO。后,Na:SO。可在阳极氧化,减少溶液中氧
气量,有利于金的析出。
cyanidesolutions
different-GaAs
crystalfaces[J].
JournalofElectroanalyChemistry,2004,572:195—
201.
[5]Yap
the
C
Y,MohamedN.Anelectrogenerative
ofgoldfromcyanide
process
for
3
结论
(1)活性炭纤维为阴极电极材料时效果最好,最
recovery
solutions[J].Chemo—
sphere,2007,67:1502—1510.
[6]BARBOSALAD,SOBRALLGS.Goldelectrowining
佳电沉积时间为6h;
fromdilutedcyanideliquors:performanceevaluationofdifferentreaction
(2)电流密度是影响金电沉积速率的主要因素,电流密度越大沉积速率也越快,最佳电流密度为
83.3A/m2:
systems[J].Minerals
Engineering,
Z001,14(9):963—974.
[7]胡玉蓉,周泉.用于回收金的箱式电解槽的设计和应用
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