鋁電解過程陽極氣泡行為研究.pdf

1、鋁電解工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在為國防和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供大量鋁錠的同時(shí)，也消耗了大量的能源。噸鋁的電能消耗大概為13000-14000kWh，節(jié)能一直是鋁電解技術(shù)進(jìn)步的主要問題。鋁電解的電能消耗由槽電壓和電流效率決定，槽電壓在3.7-4.2V之間，電流效率最高可以到95％，鋁電解的能量利用率不到50％，是因?yàn)槠潆妷盒屎艿推渲?，電解質(zhì)的歐姆電壓降是能源浪費(fèi)的主要原因之一，陽極底掌氣泡的存在也是增加電解槽電壓降的主要原因。
　　現(xiàn)代大

2、型預(yù)焙陽極電解槽節(jié)能技術(shù)的開發(fā)，要求對(duì)電解過程氣泡運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行研究。在實(shí)際生產(chǎn)中，氣泡的分布和運(yùn)動(dòng)行為很難直接測(cè)量，所以鋁電解槽氣泡行為的仿真研究對(duì)電解槽設(shè)計(jì)和鋁電解生產(chǎn)具有重要意義。
　　本文針對(duì)陽極氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了理論研究，建立數(shù)學(xué)模型，并利用商業(yè)軟件ANSYS-Fluent對(duì)陽極底部氣泡流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。主要工作與結(jié)論包括:
　　1.從工業(yè)鋁電解槽實(shí)際情況出發(fā)，利用水溶液模擬工業(yè)電解質(zhì)，使用空氣代替陽極氣體，

3、對(duì)工業(yè)電解槽過程中陽極氣泡的產(chǎn)生、合并與運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)。進(jìn)而觀察陽極底部的氣體分布與測(cè)量陽極側(cè)部的氣泡體積分?jǐn)?shù)。
　　研究發(fā)現(xiàn)陽極側(cè)部的氣泡在上升過程中，在水平方向擴(kuò)散范圍增加。氣體擴(kuò)散范圍在陽極的邊緣呈現(xiàn)倒三角分布，而其中具有最大時(shí)均氣體體積分?jǐn)?shù)的位置基本上位于此三角形中從陽極拐角引出的中線上。隨著氣體輸入速度的增加，氣泡在水平區(qū)域擴(kuò)散范圍增加，氣泡體積分?jǐn)?shù)也有明顯的增長(zhǎng)。
　　2.基于冷態(tài)模擬電解槽設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用

4、流體動(dòng)力學(xué)基本定律，推導(dǎo)出鋁電解槽陽極底部氣泡運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型。利用自由面跟蹤法(VOF)模型捕捉氣泡界面變化，分析氣泡大小對(duì)氣泡行為的影響。通過改變參數(shù)，比較冷態(tài)模擬和高溫實(shí)際系統(tǒng)下氣泡行為的差異。
　　研究結(jié)果表明，實(shí)際電解條件下（二氧化碳-高溫冰晶石熔鹽系統(tǒng)）和常用的低溫模擬系統(tǒng)（空氣-水系統(tǒng)）下，氣泡動(dòng)力學(xué)行為呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，氣泡尺寸的增加會(huì)提高氣泡運(yùn)行速度。較大的氣泡在運(yùn)動(dòng)過程中極易發(fā)生氣泡破裂現(xiàn)象，較小的氣泡則能保持體積

5、完整。兩體系之間也存在一定程度的差異:在二氧化碳-冰晶石體系中，氣泡傾向于緊貼陽極側(cè)壁。在空氣-水體系中，氣泡釋放過程中傾向于離開陽極側(cè)壁。此外，對(duì)于同樣大小的氣泡在兩種不同流體體系中，氣泡在二氧化碳-冰晶石體系中滑行速度較大。
　　3.用ANSYS-Fluent有限元分析軟件建立了鋁電解槽電場(chǎng)的有限元模型，對(duì)其電場(chǎng)進(jìn)行了仿真，計(jì)算了鋁電解槽各部分的電場(chǎng)分布，研究了陽極底部電流密度分布和氣泡的關(guān)系。
　　分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣泡