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)濟的基礎產業(yè)，在為國防和經(jīng)濟發(fā)展提供大量鋁錠的同時，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進步的主要問題。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％，是因為其電壓效率很低其中，電解質的歐姆電壓降是能源浪費的主要原因之一，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、型預焙陽極電解槽節(jié)能技術的開發(fā)，要求對電解過程氣泡運動行為進行研究。在實際生產中，氣泡的分布和運動行為很難直接測量，所以鋁電解槽氣泡行為的仿真研究對電解槽設計和鋁電解生產具有重要意義。
　　本文針對陽極氣泡的運動規(guī)律進行了理論研究，建立數(shù)學模型，并利用商業(yè)軟件ANSYS-Fluent對陽極底部氣泡流動進行了數(shù)值模擬研究。主要工作與結論包括:
　　1.從工業(yè)鋁電解槽實際情況出發(fā)，利用水溶液模擬工業(yè)電解質，使用空氣代替陽極氣體，

3、對工業(yè)電解槽過程中陽極氣泡的產生、合并與運動進行了冷態(tài)模擬實驗。進而觀察陽極底部的氣體分布與測量陽極側部的氣泡體積分數(shù)。
　　研究發(fā)現(xiàn)陽極側部的氣泡在上升過程中，在水平方向擴散范圍增加。氣體擴散范圍在陽極的邊緣呈現(xiàn)倒三角分布，而其中具有最大時均氣體體積分數(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)域擴散范圍增加，氣泡體積分數(shù)也有明顯的增長。
　　2.基于冷態(tài)模擬電解槽設計參數(shù)，應用

4、流體動力學基本定律，推導出鋁電解槽陽極底部氣泡運行的數(shù)學模型。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)模擬和高溫實際系統(tǒng)下氣泡行為的差異。
　　研究結果表明，實際電解條件下（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，氣泡動力學行為呈現(xiàn)相似的趨勢，氣泡尺寸的增加會提高氣泡運行速度。較大的氣泡在運動過程中極易發(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壁。在空氣-水體系中，氣泡釋放過程中傾向于離開陽極側壁。此外，對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的有限元模型，對其電場進行了仿真，計算了鋁電解槽各部分的電場分布，研究了陽極底部電流密度分布和氣泡的關系。
　　分析計算結果發(fā)現(xiàn)氣泡