Моделирование конвективного массообмена

В КОАКСИАЛЬНОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ

МИСОЕДОВА Е.Ю., СИТНИКОВ С.Ю., КГЭУ, г. Казань

Науч. рук. канд. техн. наук, доцент СИТНИКОВ С.Ю.

Многофункциональный электрохимический реактор, представ-ляющий собой коаксиальный бездиафрагменный электролизер с сущест-венной разницей площадей электродов (100 и более раз), может использоваться в различных актуальных направлениях, например для очистки природных или сточных вод или для получения наноразмерных частиц [1]. При математическом моделировании такого электролизера будем считать, что процессы на центральном (тонком) электроде определяют поведение электрохимического реактора в целом. Динамика процесса будет определяться молекулярной диффузией и конвективным массообменом [2]. Поскольку перенос вещества посредством молекулярной диффузии осуществляется лишь на небольшое расстояние (~0,1 см) и играет роль лишь в начальный период после включения аппарата, то основной вклад в распределение продуктов электрохимического процесса по объему аппарата играет тепловая конвекция.

Продольная составляющая конвекции в аппарате может быть вызвана тепловым потоком от центрального электрода, а также процессом газовыделения на нем. Аналитическое выражение для описания продольной конвекции, учитывающее коэффициент продольного перемешивания и скорость продольного конвективного потока, было получено нами ранее [2]:

где C – концентрация продуктов электролиза вдоль оси z; V _к – скорость конвективного потока; D _п – коэффициент продольного перемешивания.

Чтобы получить аналитическое выражение для конвективного тепломассообмена, необходимо интегрировать систему дифференциальных уравнений, описывающих движение жидкости и перенос теплоты в ней. Даже при существенных допущениях это возможно лишь в отдельных простых случаях. Поэтому для численного решения и визуализации конвекции используем МКЭ-моделирование в ANSYS Fluent. При этом геометрическая модель создается в программе AutoCAD и затем импортируется в ANSYS. На рисунке представлен результат моделирования распределения скоростей конвективных потоков (вертикальное расположение электролизера, водный раствор электролита).

Моделирование распределения скоростей конвективных потоков

Весь объем раствора можно разделить на две области: небольшую область вдоль центрального электрода, внутри которой происходит быстрое изменение концентрации продуктов электролиза (пограничный диффузионный слой Левича), и весь остальной объем аппарата – область постоянной концентрации (гидродинамический слой Прандтля).

Вследствие конвективного перемешивания в бездиафрагменном электролизере продукты электролиза почти полностью заполняют объем аппарата, что повышает его КПД.

Литература

1. Дресвянников А.Ф. Теоретическое обоснование очистки воды электрогенерированными реагентами в электролизере коаксиального типа / А.Ф. Дресвянников, С.Ю. Ситников, Ф.Н. Дресвянников // Вестник Казанского технологического университета. – 2002. – № 1/2. – С. 314.

2. Дресвянников Ф.Н. Моделирование процесса конвективного массопереноса в коаксиальном электролизере / Ф.Н. Дресвянников, С.Ю. Ситников, А.Ф. Дресвянников // Изв. вузов. Проблемы энергетики. – 2003. – № 11/12. – С. 54–63.

УДК 004.94 + 66.011