中文摘要：

内蒙古拥有世界上最大的金属钠生产企业，金属钠作为快中子核反应堆的唯一的冷却换热介质，具有广泛的运用价值和市场价值,而熔盐电解法制钠是生产高纯金属钠的主要方法，但国内外对制钠电解槽的理论研究甚少。电解槽内熔盐的流动、热量分布以及槽壁的温度分布对电解过程有很大影响，本课题在以前熔盐电解槽研究工作的基础上，针对目前制钠电解槽的具体情况，采用数值模拟与试验相结合的方法，研究熔盐制钠电解槽阳极气泡形成过程和阴极金属钠形成过程，数值模拟考虑气泡形成和运动及金属钠形成和运动后电解槽内熔盐的流场、热场分布，实验测定槽壁的温度场分布，分析流场和温度场对电解过程的影响，有利于提高产品质量，降低能耗，为电解制钠工艺制定和电解槽槽型优化设计提供理论基础和指导。

结论摘要：

内蒙古拥有世界上最大的金属钠生产企业，金属钠作为快中子核反应堆的唯一的冷却换热介质，具有广泛的运用价值和市场价值,而熔盐电解法制钠是生产高纯金属钠的主要方法，但国内外对制钠电解槽的理论研究甚少。项目组针对内蒙兰太集团制钠电解槽的具体情况，在作者开发的稀土电解槽的金属液滴、气泡随机产生、运动及与流场相互作用计算软件的基础上，把数值模拟技术成功引入到制钠电解槽的研究中，首次尝试把阳极气泡和阴极金属钠的产生、运动做定量的描述，并把它与制钠电解过程的电磁场综合考虑，定量分析计算电解槽内的流动和热量分布情况特点；模拟优化槽型结构得到合理的流场和热场分布，并指导优化实际生产电解槽结构和生产工艺取得良好效果。首先根据电解槽特点进行一些合理的假设，根据Maxwell电磁场理论和Biot-Savart定律，推导电场与磁场的控制方程。之后利用ANSYS软件对制钠电解槽的磁场进行模拟计算，得出电解槽内磁场只有圆周方向的分量，阴阳极之间是电解发生的主要区域；对40KA制钠电解槽极距不同时的电场进行了三维模拟，通过对比分析不同极距下电场的分布情况得出了钠电解槽的最适宜极间距为93mm；对各部分电压进行了计算，得出钠电解槽的槽电压为6.8V左右与实际生产槽电压比较一致；通过热平衡测量及分析发现，现有制钠电解槽分解氯化钠所占用的热量最多，达到47.86%，底部散热量所占比例最少，为0.42%；熔盐上表面由于对流和辐射传热致使热量所占比例达到28.48%，有12.89%是其他形式的散热所占的比例，课题组建议生产单位采用顶部搅拌散热方式，取得了良好的效果。通过对制钠电解槽内气-液-液三相流的研究发现气泡主要在距阳极外表面约为0.075m的范围内向上流动；钠液主要在距阴极内表面约为0.04m的范围内向上流动，气泡和钠液在阴阳极之间上浮的过程中有接触的机会，熔盐电解质在循环流动的过程中有大涡流产生，不利于电解的进行，需增大阴阳极间距或添加隔膜，以及进行阳极开孔；通过对不同阳极开孔开孔角度的对比研究发现15度的阳极开孔对促进气泡、钠液的上浮及熔盐电解质的循环流动最佳，对电解过程更有利；通过对加入隔膜的制钠电解槽内流场的研究，得出了气泡和钠液分别在阳极外表面到隔膜之间和阴极至隔膜之间向上流动，隔膜可以有效减小涡流的形成，促进电解质的更好的循环流动。