전해정련 전해조내 상온 유동장 모사

남장우, 서경원

아주대학교 공과대학 화학·생물공학부

A Simulation of The Cold Fluid Field in An Electrolytic Refiner

Jang Woo Nam,  Kyung Won Seo

School of Chemical Engineering and Biotechnology, Ajou University

서  론

순동을 얻기 위한 전해정련법에서 전극의 분해 및 환원 정도, 생산되는 전기동의 품질 등은 전해액의 전해조내 유동형태, 농도분포와도 관계가 있기 때문에[1, 2], 제조된 전기동 표면을 균일하게 하고 순도를 높이기 위해 첨가제의 농도분포를 제어할 수 있어야 한다[2, 3]. 그러므로, 전해액의 유동형태에 대한 고찰이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 전해액과 첨가제의 유동형태와 농도분포를 해석하기 위한 기초 자료로서 Fluent code를 이용하여 상온에서의 전해조내 유체의 유동장 분포, 유동경로 등을 모사 하였다.

모사 모델 및 조건

단순화된 모델에 사용된 실측 크기 전해조의 단면도를 Fig. 1에 보였다. (a)는 y축에서 바라본 그림이고, (b)는 z축에서 바라본 그림이며, (c)는 x축에서 좌측과 우측을 바라본 그림이다. 전해조는 길이 5.8 m, 폭 1.17 m, 좌측 높이 1.46 m, 우측 높이 1.32 m이고, 전해조 좌측 하부에는 지름 1.5×10-1 m의 반원형 유입구가 있어 x-z 방향 양측(± y)으로 유체가 분산되게 한다. 한편 전해조 우측상부에 폭 5.6×10-1 m, 높이 7.5×10-2 m의 유출구가 있으며, 전해조 내부에는 가로 9.14×10-1 m, 세로 1.05 m, 두께 4.5×10-2 m의 조동판 57개가 5.0×10-2 m 간격으로 놓여있다. 유체는 좌측하부 입구에서 조내에 유입되어 우측상부 유출구로 흐른다. 유체의 밀도는 1.1683×103 Kg/m3, 점도는 8.991×10-4  Kg/m·s이며 유입구에서의 유입속도는 선속도 2.12×10-2 m/s 로 하였다.

모사 결과 및 토론

전해조내부의 유체유입방향과 유출방향을 Fig. 2에 간단히 나타내었다.

Fig. 3은 유체의 유속벡터와 유선을 전해조내부 x-z 단면에서 보인 그림이다. (a) y=0.1 m에서의 좌측 단면을 보면 유체 일부는 하부 벽면을 따라 이동하고 일부가 하부 유입구에서 상부로 상승하여 순환하였다. (b) y=0.1 m인 우측 단면에서는 조벽면을 따라 이동한 유체가 상부 유출구 방향으로 상승하였다. 유입구에서 상부로 상승하였던 유체가 (c) y=0.58 m의 좌측 단면에서 전극사이의 공간을 따라 하부로 이동하는 것을 볼 수 있으며 하부로 이동하는 유체의 일부가 상부로 상승하였다. (d) y=0.58 m 우측단면에서 하부 공간을 따라 이동하는 유체가 전극사이의 공간으로 상승하는 것을 볼 수 있다. Fig. 4는 전해조내부 y-z 단면에서의 유선과 속도벡터를 나타낸 그림이다. (a) x=0.05 m인 단면을 보면 좌측 하부 유입구에서 유체가 조벽쪽으로 이동하였고, 유입구를 중심으로 상부와 하부에서 조 중심부로 순환하였다. 첫 번째 전극이 위치한 (b) x=0.154 m의 단면에서도 유사한 유선과 속도벡터를 볼 수 있다. (c)는 유출구에서 가장 가까운 전극과 전극사이의 x=5.6 m에서의 단면이다. 그림에서 볼 수 있듯이 유출구로 가까워지면 유체는 하부에서 상부로 상승하며 상부 좌우 측에 있는 빈 공간으로 이동하였다. (d) x=5.8 m의 단면에서는 유체가 유출구를 향해 집중되어 유출구를 통해 배출되는 것을 볼 수 있다.

본 연구에서는 전해조를 모델로 Fluent code를 이용하여 상온에서의 전해조내 유동장 분포, 유체의 유동경로 등을 모사 하고자 하였다. 앞에서 보인 모사 결과로 기본적인 유체의 유동경로 및 유동분포를 알 수 있었다. 전해조내의 유동형태와 유동장분포를 이해하기 위해 전극의 수, 유체의 유입 조건 등을 변화 시켰을 경우 유동장의 변화에 대한 연구가 현재 진행중이다.

참 고 문 헌

1. R. E. White, J. O'M. Bockris, "Comprehensive Treatise of Electro-	chemistry", Plenum Press, New York, Vol. 2, pp 335-338, pp 343 - 345,	1981.

2. K. Denpo, S. Teruta, Y. Fukunaka, and Y. Kondo, "Turbulent Natural	convection along a Vertical Electode", Metallurgical Transactions, 14B(12),	pp 633-643, 1983.

3 V. K. Blechta, Z. Z. Wang, and D. W. Krueger, "Glue Analysis and	Behavior in Copper Electtrolyte", Metallurgical Transactions, 24B(4), pp	277-287, 1993.

(b)

(c)

Fig. . Geometry of a electrolytic refiner ( unit : m)

① y = 0.1 m

② y = 0.58 m

③ x = 0.05 m

④ x = 0.154 m

⑤ x = 0.56 m

⑥ x = 0.58 m

Fig. 2. Flow direction & view phases

(b)

(a)

(c)

(d)

Fig.3. Velocity vectors & stream lines at x-z phace

(a) left side at y=0.1 m

(b) right side at y=0.1 m

(c) left side at y=0.58 m

(d) right side at y=0.58 m

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 4. Velocity vectors & stream lines at y-z phase

(a) at x=0.05 m

(b) at x=0.154 m

(c) at x=5.6 m

(d) at x=5.8 m