铝电解槽中流场和氧化铝分布的基础研究

发布时间：2020-11-19 07:29

　　 节能与环保是铝电解工业两大永恒的主题,现代大型铝电解槽在解决了电磁场分布、温度场分布的问题之后,又面临着流场分布及氧化铝浓度分布的难题,氧化铝浓度分布与控制可以影响铝电解过程中能量消耗和温室气体排放,因此对铝电解槽中氧化铝浓度分布的研究具有重要意义。本文是国家自然科学基金重点项目的一部分内容,主要研究铝电解槽电解质流场和下料点附近氧化铝浓度分布。首先采用二维VOF模型建立铝电解槽横向断面电解质流场模型,模拟阳极气泡在阳极底掌生成与迁移、阳极边缘释放以及竖直上升过程。研究结果表明:电解质流场经过4s达到暂稳态,由于气体体积分数的差异,在中缝中央和液面深度一半的位置,电解质流速相对较大;气泡在阳极底掌呈Fortin型与阳极倾角无关,而与模型中阳极气体的注入方式有关;气泡在阳极边缘释放或竖直上升过程中,先紧贴着阳极,然后开始脱离阳极;由于阳极倒角的存在,会影响阳极气泡在阳极边缘的释放,改变气泡在阳极边缘释放的初始速度,最终改变电解质流场。其次采用VOF-DPM模型模拟溶解后的氧化铝和氧化铝颗粒在电解槽电解质中的分散情况,同时对加入氧化铝前后的电解质流场进行对比。研究结果表明:VOF模型并不适于模拟溶解后的氧化铝分散情况,而应采用组分传输模型;氧化铝颗粒从中缝向极间运动过程中,随密度的增加,氧化铝的迁移速度增加;同时密度为2600kg/m3的颗粒能更加均匀地分散至整个极间区域,有利于减小电解质中氧化铝浓度梯度;此外氧化铝的加入使电解质的平均流速降低0.065m/s左右,中缝中央电解质流速降低最明显,而靠近阳极竖直壁面的电解质流速相对增加。本文采用文献数据对比分析和工业测量两种方法,对采用VOF模型建立的电解质流场进行验证,同时还对400kA工业铝电解槽的液态电解质总质量进行测量与估算。结果表明:中缝电解质流速的模拟结果(0-0.4m/s)属于合理的范围之内;通过锶的传质时间与距离得到电解质最大流速、最小流速和平均流速分别为0.015m/s、0.0051m/s和0.010m/s;液态电解质总质量测量与估算结果分别7.19t和8.93t。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF821
【部分图文】：

图１．３电解槽中电磁力作用下的电解质流动１８１??

最大流速达到１１．２ｃｍ／ｓ。??吴建康和黄俊等人［１８＿１９］采用ＡＮＳＹＳ有限元法模拟２３０ｋＡ电解槽中电磁力作用下??的电解质流动，如图１．５，得到的电解质流场水平方向几乎对称但旋向相反的两个涡，??因此一个漩涡中央的铝液表面上升，另一个则下降。从图１．５得到的流场可以看出，??在涡的中心电解质流动速度较小，而在靠近壁面处最大，最大的流速为１８．３５ｃｍ／ｓ，由??于Ａ面的磁场比Ｂ面大，导致Ａ面的速度比Ｂ面的速度大很多，同时氧化铝下料点??可以布置在电解质速度较大的壁面附近，有利于氧化铝的迁移。??ｖ?Ｂ?面．，??個１隱，??Ａ面－?＾??图１．５电解槽中电磁力作用下的电解质流动??Ｆｉｇ．?１．５?Ｔｈｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?ｆｌｏｗ?ｄｒｉｖｅｎ?ｂｙ?ｔｈｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆｏｒｃｅ?ｉｎ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｃｅｌｌ??综上所述，从阳极流向阴极的电流产生一个水平的磁场，竖直的电流与水平的磁??场相互作用产生水平电磁力

泡的形态与分布。粒子图像测速法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ?Ｉｍａｇｅ?Ｖｅｌｏｃｉｔｙ，?ＰＩＶ）和激光多普勒测法??（Ｌａｓｅｒ?Ｄｏｐｐｌｅｒ?Ｖｅｌｏｃｉｔｙ，?ＬＤＶ）常用于对阳极气泡引起的电解质流场的测量［２１］。??Ｆｏｒｔｉｎ等人［２（）］采用空气－水模型研究了气泡在阳极底掌的行为，如图１．６，在最开??始的阶段，气泡仅仅球形长大而不出现合并；当气泡长大到一定的程度之后，气泡开??始横向合并，然后合并成一个大气泡覆盖整个阳极底掌，最后大气泡从阳极边缘释放。??０?②?＠??：二：?－ｉ－ｌ??—－—?￣??－：Ｈ?乜?ｄ?Ｂ?５?二?￣￣?＾?—二￣￣?－?？丄?Ｃ?（???＠?⑤?⑤??：：：?＾?０??图１．６铝电解槽中阳极底掌气泡释放示意图??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｒａｗｉｎｇ?ｏｆ?ｂｕｂｂｌｅｓ?ｒｅｌｅａｓｉｎｇ?ｕｎｄｅｒ?ａｎ?ａｎｏｄｅ?ｉｎ?ａｌｕｍｉｎｉｕｍ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｃｅｌｌｓ??同时Ｆｏｒｔｉｎ发现阳极气泡在阳极底掌呈现头部较厚（约为２ｃｍ），尾部较薄（约??５ｍｍ）较长的形状，因此这样的气泡也称为Ｆｏｒｔｉｎ气泡（如图１．７）。整个气泡的长度??为２－１２８ｃｍ不等，并随着电流密度的增大而增大，随着电解质流速或阳极倾角的增大??－７－??
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本文编号：2889895