论文摘要
铝电解工业是国民经济的基础产业,在为国防和经济发展提供大量铝锭的同时,也消耗了大量的能源。吨铝的电能消耗大概为13000-14000kWh,节能一直是铝电解技术进步的主要问题。铝电解的电能消耗由槽电压和电流效率决定,槽电压在3.7-4.2V之间,电流效率最高可以到95%,铝电解的能量利用率不到50%,是因为其电压效率很低其中,电解质的欧姆电压降是能源浪费的主要原因之一,阳极底掌气泡的存在也是增加电解槽电压降的主要原因。现代大型预焙阳极电解槽节能技术的开发,要求对电解过程气泡运动行为进行研究。在实际生产中,气泡的分布和运动行为很难直接测量,所以铝电解槽气泡行为的仿真研究对电解槽设计和铝电解生产具有重要意义。本文针对阳极气泡的运动规律进行了理论研究,建立数学模型,并利用商业软件ANSYS-Fluent对阳极底部气泡流动进行了数值模拟研究。主要工作与结论包括：1.从工业铝电解槽实际情况出发,利用水溶液模拟工业电解质,使用空气代替阳极气体,对工业电解槽过程中阳极气泡的产生、合并与运动进行了冷态模拟实验。进而观察阳极底部的气体分布与测量阳极侧部的气泡体积分数。研究发现阳极侧部的气泡在上升过程中,在水平方向扩散范围增加。气体扩散范围在阳极的边缘呈现倒三角分布,而其中具有最大时均气体体积分数的位置基本上位于此三角形中从阳极拐角引出的中线上。随着气体输入速度的增加,气泡在水平区域扩散范围增加,气泡体积分数也有明显的增长。2.基于冷态模拟电解槽设计参数,应用流体动力学基本定律,推导出铝电解槽阳极底部气泡运行的数学模型。利用自由面跟踪法（VOF）模型捕捉气泡界面变化,分析气泡大小对气泡行为的影响。通过改变参数,比较冷态模拟和高温实际系统下气泡行为的差异。研究结果表明,实际电解条件下（二氧化碳-高温冰晶石熔盐系统）和常用的低温模拟系统（空气-水系统）下,气泡动力学行为呈现相似的趋势,气泡尺寸的增加会提高气泡运行速度。较大的气泡在运动过程中极易发生气泡破裂现象,较小的气泡则能保持体积完整。两体系之间也存在一定程度的差异：在二氧化碳-冰晶石体系中,气泡倾向于紧贴阳极侧壁。在空气-水体系中,气泡释放过程中倾向于离开阳极侧壁。此外,对于同样大小的气泡在两种不同流体体系中,气泡在二氧化碳-冰晶石体系中滑行速度较大。3.用ANSYS-Fluent有限元分析软件建立了铝电解槽电场的有限元模型,对其电场进行了仿真,计算了铝电解槽各部分的电场分布,研究了阳极底部电流密度分布和气泡的关系。分析计算结果发现气泡的存在（气泡覆盖率<50%）不会影响整体电流分布模式,但是会显著的影响阳极底部气泡周围的电流密度分布。局部最高值总是存在于气泡、电解质和阳极三者的交接点处。研究还发现,本文计算得到的气泡引入电阻值与文献中一系列经验公式计算结果相一致,所预测电阻值随阳极底部覆盖率的增加而增加,其增加幅度大于其中任何一个经验公式的计算结果。此计算结果和相关文献中物理测量结果非常吻合。