电沉积制备氢氧化镁多物理场的数值模拟

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.05.006

摘要/Abstract

摘要：

为了优化电沉积法制备片状氢氧化镁的工艺，采用多物理场耦合方法，对电沉积制备氢氧化镁的过程进行了二维非稳态数值模拟.得到了不同极板间距和极板放置深度下的槽电压、电流密度、电解质流场和气体分布情况，分析了极板参数对电解槽工作过程中电场与流场的影响. 研究结果表明，减小极板放置深度会使槽电压降低，但较小的极板放置深度会导致槽内电解质流动性变差，不利于反应的进行.减小极板间距可以增大极板间电解液流速、加强传质、降低槽电压，但同时会导致极板上反应均匀性变差.为了保证电解质流速更快、槽电压更低、电流分布更均匀，应尽量加深极板放置深度，并适当调整极板间距.

关键词: 电沉积, 多物理场, 氢氧化镁, 数值模拟

Abstract:

For the optimization of the process of preparing flaky magnesium hydroxide by electrodeposition， a multi‐physics coupling method was used to simulate the two‐dimensional unsteady state of magnesium hydroxide preparation by electrodeposition. The voltage， current density， electrolyte flow field， and gas distribution of the electrolyte are obtained under different plate spacing and plate placement depths. The effect of plate parameters on the electric and flow fields during electrolytic cell operation was analyzed. The research results show that the cell voltage decreases when the plate placement depth is reduced. However， reduced plate placement depth hinders electrolyte fluidity， which is detrimental to the reaction. Reducing the plate spacing can enhance mass transfer and reduce the working voltage， but it also worsens the uniformity of the chemical reaction distribution on the plates. To achieve faster electrolyte flow， lower cell voltage， and more uniform current distribution， the plate placement depth should be increased as much as possible， and the plate spacing should be adjusted appropriately.

Key words: electrodeposition, multiphysics, magnesium hydroxide, numerical simulation

中图分类号:

TK 124

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图/表 20

图1 电解槽几何模型

Fig.1 Geometric model of electrolytic cell

表1 电解槽几何参数

Table 1 Geometric parameters of electrolytic cell

电解槽			极板
长度/cm	高度/cm		厚度/cm	板长/cm
16.3	19.3		0.3	9.5

表2 边界条件

Table 2 Boundary conditions

边界	电场	流场	浓度场
1	$j = 400$ A·m^-2	$C l 2$ 入口液体壁面	反应速率 $R 1 = - j n F$ mol·m^-3·s^-1
2	$φ = 0$ V	$H 2$ 入口液体壁面	反应速率 $R 2 = - j n F$ mol·m^-3·s^-1
3	$j = - σ ? φ$	液体壁面	$N i =$ $? - D i ? c i$ $- z i u m, ? i F c i ? φ l$
4	绝缘	气体出口	无通量
5	绝缘	液体壁面	无通量

表2 边界条件

Table 2 Boundary conditions

边界	电场	流场	浓度场
1	$j = 400$ A·m^-2	$C l 2$ 入口液体壁面	反应速率 $R 1 = - j n F$ mol·m^-3·s^-1
2	$φ = 0$ V	$H 2$ 入口液体壁面	反应速率 $R 2 = - j n F$ mol·m^-3·s^-1
3	$j = - σ ? φ$	液体壁面	$N i =$ $? - D i ? c i$ $- z i u m, ? i F c i ? φ l$
4	绝缘	气体出口	无通量
5	绝缘	液体壁面	无通量

图2 实验与数值模拟对照

Fig.2 Comparison of experiment and numerical

图3 竖向气体体积分数（a）—距极板0.01 cm处界面；（b）—距极板0.5 cm处界面.

Fig.3 Vertical gas volume fraction

图4 300 s时气体体积分数分布（a）—极板间距2 cm；（b）—极板间距4 cm；（c）—极板间距8 cm.

Fig.4 Gas volume fraction distribution at 300 s

图5 不同极板间距时电解质平均流速

Fig.5 Average electrolyte flow velocity at different plate spacing

图6 300 s时电解质流速（a）—极板间距2 cm；（b）—极板间距4 cm；（c）—极板间距8 cm.

Fig.6 Electrolyte flow velocity at 300 s

图7 不同极板间距时的槽电压

Fig.7 Cell voltage at different plate spacing

图8 不同极板间距时阴极板内侧表面电流密度

Fig.8 Inner cathode current density at different plate spacing

图9 300s时电解质电流密度分布（a）—极板间距2 cm；（b）—极板间距4 cm；（c）—极板间距8 cm.

Fig.9 Current density distribution of electrolyte at 300s

图10 不同极板间距时阴极板内侧表面电解质电位

Fig.10 Electrolyte potential of the inner surface of the cathode plate at different plate spacing

图11 不同放置深度时的槽电压

Fig.11 Cell voltage at different placement depths

图12 不同放置深度时阴极内侧表面电流密度

Fig.12 Inner surface current density of the cathode at different placement depths

图13 300 s时电流密度分布（a）—k_depth=0.5；（b）—k_depth=0.6；（c）—k_depth=1.

Fig.13 Current density distribution at 300 s

图14 不同放置深度时电解质电位

Fig.14 Electrolyte potential at different placement depths

图15 不同放置深度时电解质平均流速

Fig.15 Average electrolyte flow velocity at different placement depths

图16 300 s时电解质流速分布（a）—k_depth=0.5；（b）—k_depth=0.6；（c）—k_depth=1.

Fig.16 Electrolyte flow velocity distribution at 300 s

图17 竖向气体体积分数（a）—距极板0.01 cm处界面；（b）—距极板0.5 cm处界面.

Fig.17 Vertical gas volume fraction

图18 300 s时气体体积分数分布（a）—k_depth=0.5；（b）—k_depth=0.6；（c）—k_depth=1.

Fig.18 Gas volume fraction distribution at 300 s

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