鋁電解金屬陶瓷惰性陽極氣體及電解質(zhì)流場(chǎng)仿真

張紅亮，王志剛，李劼，賴延清

(中南大學(xué) 冶金科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

熔鹽電解法生產(chǎn)鋁是目前工業(yè)煉鋁的唯一方法，電解槽通常采用碳素陽極和陰極，電解槽通入強(qiáng)大的直流電，在陰極析出金屬鋁，在陽極生成CO2和CO氣體。在電解過程中，碳素陽極直接參與化學(xué)反應(yīng)，因而不斷消耗，需要定時(shí)更換陽極來維持電解生產(chǎn)，由此產(chǎn)生了一系列的問題：(1) 優(yōu)質(zhì)碳消耗量大，需要配備龐大的碳素陽極生產(chǎn)工廠，增加了生產(chǎn)成本；(2) 陽極需經(jīng)常更換，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度；(3) 極距不穩(wěn)定，需要復(fù)雜的機(jī)械裝置來調(diào)整極距；(4) 電解反應(yīng)產(chǎn)生大量的溫室氣體CO2和少量的CO以及大量的致癌物質(zhì)CFn等，給環(huán)境造成極大的污染。而使用惰性陽極及相應(yīng)的電解工藝則可以有效避免這些問題，并具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 無需碳素陽極生產(chǎn)工廠，生產(chǎn)成本降低；(2) 陽極不需經(jīng)常更換，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；(3) 極距穩(wěn)定，易于控制；(4) 陽極產(chǎn)品為氧氣，避免了環(huán)境污染[1]。

本文作者在進(jìn)行惰性陽極電解試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)2種現(xiàn)象：陽極氣泡相當(dāng)細(xì)小且無陽極效應(yīng)發(fā)生。而國內(nèi)外其他學(xué)者也有過相關(guān)報(bào)道，如 Cassayre等[2?3]在對(duì)析氧陽極(SnO2, Cu, Cu-Ni, Cu-Al)和碳素陽極電解過程的氣泡特征的研究中發(fā)現(xiàn)惰性陽極的O2氣泡細(xì)小，析出特征與碳素陽極上CO2氣泡析出特征有很大差異；徐君莉等[4]研究了采用金屬惰性陽極的鋁電解過程中不同電流密度下陽極氣泡的成核、長(zhǎng)大、匯聚和排放過程，發(fā)現(xiàn)陽極氣泡細(xì)??；Gao等[5]采用透明電解槽觀測(cè)了惰性陽極和碳素陽極電解過程的氣泡析出行為，發(fā)現(xiàn)碳素陽極氣泡聚集長(zhǎng)大后以大氣泡析出，而金屬陽極上氣泡析出過程可分為陽極表面氧化、O2形成和氣泡脫附3個(gè)階段。因此，對(duì)惰性陽極的氣體行為進(jìn)行研究，能夠?qū)Χ栊噪姌O鋁電解新工藝的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。目前，對(duì)陽極氣體及其擾動(dòng)下的電解質(zhì)流場(chǎng)進(jìn)行研究主要有物理模型[6?9]、實(shí)驗(yàn)室電解槽[10]及數(shù)值模擬[11?13]3種方法。近年來，數(shù)值模擬的方法越來越多地應(yīng)用于鋁電解工業(yè)中，為鋁電解槽的結(jié)構(gòu)改造及工藝設(shè)計(jì)提供了許多參考。數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)在于能夠方便地了解各參數(shù)變化對(duì)結(jié)果的影響，降低設(shè)計(jì)成本。此外，數(shù)值模擬也使計(jì)算結(jié)果能更好地可視化。在此，本文作者采用數(shù)值模擬方法計(jì)算惰性陽極氣體及其帶動(dòng)下的電解質(zhì)流動(dòng)情況，并考查相關(guān)結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響。

1 模型及計(jì)算方法

1.1 模型簡(jiǎn)化

鋁電解槽中的陽極氣體及電解質(zhì)流動(dòng)場(chǎng)十分復(fù)雜，是典型的多相流動(dòng)，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)必須進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化：

(1) 不考慮電解質(zhì)中懸浮氧化鋁的影響，即簡(jiǎn)化為兩相流模型。

(2) 不考慮電解質(zhì)中的溫度分布不均，認(rèn)為溫度均勻即為電解溫度，在求解控制方程時(shí)不求解能量方程，只求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

(3) 不考慮氣泡之間的碰撞和接合。

1.2 基本方程

本文采用歐拉?歐拉多相流計(jì)算方法，其連續(xù)性方程為：

式中：i?，ρi和Ui分別表示i相(i為L(zhǎng)或G，L表示電解質(zhì)，G表示氣體)的體積分?jǐn)?shù)、密度和平均速度。在求解區(qū)域的每個(gè)微元內(nèi)，電解質(zhì)和氧氣共同存在，體積分?jǐn)?shù)之間存在關(guān)系：

動(dòng)量方程為：

式中：SMi表示質(zhì)量力；μeff為有效黏度；p為兩相壓力。Mi(ML= ?MG)為兩相的動(dòng)量傳遞，它是兩相相對(duì)速度、各相密度、界面密度和曳力系數(shù)的函數(shù)。曳力系數(shù)采用Ishii-Zuber關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，

式中：Re為相對(duì)Reynolds數(shù)；Bo為Bond數(shù)，

μL為電解質(zhì)黏度；d為氣泡直徑；g為重力加速度；σ為氣體與電解質(zhì)之間的表面張力，這里取為0.14 N/m。

對(duì)于電解質(zhì)，湍流模型選為標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型；對(duì)于氣體，湍流模型選為零方程模型[14]。

1.3 模型及邊界條件

模型初始情況下的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)如表1所示。

表1 初始結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)Table 1 Initial structural and technical parameters

模型在ANSYS中生成并進(jìn)行網(wǎng)格劃分(如圖1)，然后，輸出到 CFX中進(jìn)行邊界條件及求解的相關(guān)設(shè)定。

根據(jù)糯玉米用途的不同，采收期各異。適時(shí)采收的鮮果穗，糯性好、果皮薄、無渣、風(fēng)味好，過早或過晚采收都將影響其品質(zhì)和適口性。一般來說，適宜采收期在授粉后20-28天，外觀苞葉稍黃、花絲變干呈棕色，籽粒成熟度為乳熟中、末期，即可采收。用作糧食和淀粉生產(chǎn)的粒用糯玉米則與普通玉米相同，在完熟期收獲。

圖1 模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh of model

陽極底部及側(cè)部面設(shè)定為Inlet邊界，定義氣體和電解質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)和速度，電解質(zhì)的速度定義為 0 cm/s，氣體的速度采用以下公式計(jì)算[15]：

式中：I為電流；R為理想氣體常數(shù)；T為溫度；F為法拉第常數(shù)；P為壓力；φ為氣體的體積分?jǐn)?shù)；S為浸入電解質(zhì)中的陽極面積。電解質(zhì)上表面定義為 Outlet中的Degassing邊界，其他面設(shè)置為Wall邊界。

1.4 材料屬性

計(jì)算中所需的材料屬性見表2[14]。

表2 材料屬性Table 2 Material properties

2 結(jié)果與討論

2.1 初始結(jié)果分析

在初始條件下，經(jīng)計(jì)算得到Z=0平面的電解質(zhì)流速矢量圖如圖2所示。從圖2可見：電解質(zhì)在陽極氣體的作用下隨陽極氣體上升，遇到空氣表面后又返回到電解槽中，整體上形成了2個(gè)對(duì)稱的旋渦；在陽極側(cè)部旋渦更為明顯，距離陽極氣體越近，電解質(zhì)流速越大，電解質(zhì)最大流速為5.273 cm/s。

圖2 電解質(zhì)流速矢量圖(Z=0)Fig.2 Vector of electrolyte velocity (Z=0)

2.2 氣泡直徑的影響

根據(jù)電解實(shí)驗(yàn)觀察，惰性陽極電解時(shí)陽極氣泡細(xì)小，估計(jì)直徑范圍為2～8 mm。當(dāng)設(shè)定氣泡直徑由2 mm增加至8 mm時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖3所示。

圖3 流速隨氣泡直徑的變化Fig.3 Velocity variation with bubble diameter

從圖3(a)可見：隨著氣泡直徑的增大，氣體的平均流速和最大流速都有一定程度的增大，其中氣體最大流速增加幅度較大，氣泡直徑由2 mm增加到8 mm時(shí)，氣體最大流速由25.661 cm/s增加到32.308 cm/s，增加了25.90%。氣體的平均流速在氣泡直徑由2 mm增加到3 mm時(shí)有較大程度的增加，而后隨著氣泡直徑的變化，氣體的平均流速變化不明顯。圖3(b)表明電解質(zhì)流速在氣泡直徑由2 mm增加到3 mm時(shí)，最大流速和平均流速有所降低，而后隨氣泡直徑增加總體呈上升趨勢(shì)，平均流速及最大流速均在氣泡直徑3 mm時(shí)最小。氣體的流速越大，氣流就能夠越快地從電解槽中脫離出去，對(duì)電解過程的不良影響就會(huì)越小，因此從增大氣體流速、降低電解質(zhì)流速的角度考慮，氣泡直徑控制在3 mm是比較理想的。

2.3 電流的影響

當(dāng)電流由70 A增大到130 A時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖4所示。

圖4 流速隨電流的變化Fig.4 Velocity variation with current intensity

2.4 溫度的影響

當(dāng)電解質(zhì)溫度由860 ℃增加到980 ℃時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖5所示。

圖5 流速隨溫度的變化Fig.5 Velocity variation with temperature

從圖5(a)可見：電解質(zhì)溫度對(duì)氣體流速的影響與電流的影響相同，隨著溫度的升高，氣體的平均流速略有降低，但降低很小，而氣體的最大流速有所增加，增加幅度也同樣不大。從圖5(b)可見：電解質(zhì)平均流速和最大流速均隨著溫度的升高而增大，平均流速由1.499 cm/s增加到1.567 cm/s，增加了4.54%，電解質(zhì)最大流速增加了5.24%。溫度升高，氣體生成率增加，因此，電解質(zhì)流速有所增加。從增大氣體流速、降低電解質(zhì)流速的角度考慮，低溫電解更有利于提高電流效率。

2.5 極距的影響

當(dāng)極距由4.5 cm增加到7.5 cm時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖6所示。

圖6 流速隨極距的變化Fig.6 Velocity variation with anode-cathode distance

從圖6(a)可見：氣體的平均流速隨極距的增加而增加，當(dāng)極距由4.5 cm增至7.5 cm時(shí)，氣體的平均流速由19.431 cm/s增加到19.464 cm/s；氣體的最大流速隨極距的增加基本保持不變。從圖6(b)可見：電解質(zhì)平均流速隨極距的增加而下降，當(dāng)極距由4.5 cm增至7.5 cm時(shí)，電解質(zhì)平均流速由1.634 cm/s下降至1.236 cm/s，降低了24.36%。電解質(zhì)最大流速隨極距增加沒有明顯變化。極距增加相當(dāng)于增加了電解質(zhì)的體積，在氣體生成率不變的情況下，電解質(zhì)的流速自然會(huì)有所降低。從增大氣體流速、降低電解質(zhì)流速的角度考慮，適當(dāng)增加極距是有利的。

2.6 陽極浸入電解質(zhì)深度的影響

當(dāng)陽極浸入電解質(zhì)深度由4 cm增加到10 cm時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖7所示。

圖7 流速隨陽極浸入電解質(zhì)深度的變化Fig.7 Velocity variation with anode immersion depth

從圖7(a)可見：隨著陽極浸入電解質(zhì)深度的增加，氣體的平均流速整體呈下降趨勢(shì)，但變化幅度很小，氣體的最大流速呈上升趨勢(shì)，但增幅同樣不大。從圖7(b)可見：電解質(zhì)平均流速及最大流速隨著陽極浸入電解質(zhì)深度的增加基本呈上升趨勢(shì)，其中電解質(zhì)的平均流速由1.533cm/s增加到1.623cm/s，增加了5.87%；最大流速由 6.225cm/s增加到 6.983cm/s，增加了12.18%。從增大氣體流速、降低電解質(zhì)流速的角度考慮，陽極浸入電解質(zhì)深度取小為宜。

2.7 陽極半徑的影響

當(dāng)陽極半徑由4 cm增加到10 cm時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖8所示。

圖8 流速隨陽極半徑的變化Fig.8 Velocity variation with anode radius

從圖8(a)可見：隨著陽極半徑的增加，氣體的最大流速下降，氣體的平均流速基本保持不變，最大流速由26.434 cm/s下降到23.813 cm/s，下降了9.92%。從圖8(b)可見：電解質(zhì)平均流速隨陽極半徑的增大基本呈下降趨勢(shì)，只在陽極半徑由9 cm增加到10 cm時(shí)略有上升；當(dāng)陽極半徑由4 cm增加到8 cm時(shí)，電解質(zhì)平均流速下降較為明顯，由1.626 cm/s下降至1.380 cm/s，下降了15.13%，而后陽極半徑再增加時(shí)，平均流速基本無變化。電解質(zhì)最大流速隨陽極半徑的增加而降低，最大流速由7.788 cm/s下降至4.679 cm/s，下降了39.92%。從增大氣體流速、降低電解質(zhì)流速的角度考慮，適當(dāng)增加陽極半徑是有利的。

2.8 陽極倒角半徑的影響

當(dāng)陽極倒角半徑由20 mm增加到45 mm時(shí)，氣體流速與電解質(zhì)流速的相應(yīng)變化如圖9所示。

圖9 流速隨陽極倒角半徑的變化Fig.9 Velocity variation with anode chamfer radius

從圖9(a)可見：隨著陽極倒角半徑的增加，氣體的平均流速變化很?。划?dāng)陽極倒角半徑從20 mm增加到45 mm時(shí)，氣體的最大流速呈降低趨勢(shì)，而當(dāng)陽極倒角半徑由45 mm增加到50 mm時(shí)，氣體的最大流速有所增加。從圖9(b)可見：電解質(zhì)的平均流速及最大流速均隨著陽極倒角半徑的增加而先降低后增加，平均流速在40 mm的倒角半徑時(shí)取得最小值，最大流速在35 mm的倒角半徑時(shí)取得最小值，而氣體的平均流速在35 mm倒角半徑時(shí)取得最大值，因此在現(xiàn)有的陽極尺寸下，陽極倒角半徑取為35～40 mm為宜。

3 結(jié)論

(1) 在陽極氣體的帶動(dòng)下，電解質(zhì)沿陽極中心呈對(duì)稱循環(huán)流動(dòng)，距離陽極氣體越近，電解質(zhì)流速越大；隨陽極氣泡直徑的增大，氣體流速逐漸增加，電解質(zhì)流速先下降后增加，氣泡直徑的最佳值為3 mm。

(2) 電流增加，氣體的平均流速降低，氣體的最大流速增加，電解質(zhì)平均及最大流速均增加，電流不宜過大；電解溫度增加，氣體的平均流速降低，氣體的最大流速增加，電解質(zhì)平均及最大流速均增加，這對(duì)低溫電解更有利；極距增加，氣體平均流速增加，電解質(zhì)平均流速降低，適當(dāng)增加極距有利于電解槽操作；陽極浸入電解質(zhì)深度增加，氣體平均流速降低，電解質(zhì)平均流速增加，陽極浸入深度不宜過大。

(3) 陽極半徑增加，氣體的平均流速增加，電解質(zhì)平均流速降低，應(yīng)適當(dāng)增加陽極半徑；陽極倒角半徑對(duì)氣體及電解質(zhì)流場(chǎng)有一定影響，合理的陽極倒角半徑為35～40 mm。

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