铝电解槽铝液扩散传质过程数值模拟及其应用研究

发布时间：2021-05-17 14:47

　　我国铝电解工业发展迅速,年产铝量已连续13年位居世界第一,高能耗问题制约着电解铝工业的发展。电流效率是反映电解槽能耗的一项重要指标,其影响因素众多,铝液的溶解扩散损失是主要因素之一。目前国内外对铝液溶解扩散的研究相对较少,且主要停留在实验阶段。因此,研究铝液扩散传质过程,建立铝液扩散的数值模型对铝电解工业节能降耗有着重要意义。本文以贵阳铝镁设计研究院的双扩散模型项目为依托,研究了铝电解槽内多相流动规律和铝液扩散传质机理,建立了350kA和420kA系列铝电解槽流场计算模型和极距间铝液湍流扩散模型,分析了气液相间作用与流场和铝液扩散之间的关系,计算分析了不同磁场工况对流场和铝液浓度场的影响,并给出了相应槽型的磁场优化方案或有效的节能措施。本文的主要研究成果如下：（1）考虑了铝电解槽内熔体复杂的相间作用力,选择合适的湍流模型,并对湍流粘度进行修正,以CFX为计算平台,建立了电磁力和气泡驱动力共同作用下350kA和420kA系列铝电解槽的三相流模型,分析了两系列槽型的流动特征及阳极气体行为对流动的的影响。（2）研究了铝液扩散传质机理,考虑了浓度边界层以及湍流传质对铝液扩散过程的影响,建立了铝... 

【文章来源】：中南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：81 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
1 绪论
    1.1 铝电解工业
        1.1.1 铝电解概述
        1.1.2 我国铝电解工业的发展
        1.1.3 我国铝电解工业所面临的问题
        1.1.4 铝电解工业节能发展方向
    1.2 铝电解槽电流效率
        1.2.1 电流效率的定义
        1.2.2 影响铝电解槽电流效率的主要因素
        1.2.3 电流效率模型
    1.3 铝电解槽流场
        1.3.1 铝电解槽流场的研究意义
        1.3.2 铝电解槽流场的研究进展
    1.4 铝电解槽铝液溶解扩散
        1.4.1 铝液溶解扩散的研究意义
        1.4.2 铝液扩散的研究进展
    1.5 计算传质研究
    1.6 本文研究内容和意义
        1.6.1 项目研究意义
        1.6.2 课题研究的主要内容
2 铝电解槽三相流模型建立及应用
    2.1 铝电解槽熔体及阳极气体运动分析
    2.2 铝电解槽液-液-气三相流物理模型
        2.2.1 基本假设
        2.2.2 几何模型及网格划分
    2.3 铝电解槽液-液-气三相流模型
        2.3.1 多相流模型
        2.3.2 湍流模型
        2.3.3 曳力模型
        2.3.4 流动基本方程
        2.3.5 模型边界条件及相关物性参数
    2.4 结果分析
        2.4.1 350kA系列槽速度场分布
        2.4.2 420kA系列槽速度场分布
        2.4.3 350kA系列槽湍流分布
        2.4.4 420kA系列槽湍流分布
        2.4.5 气泡行为对湍流的影响
    2.5 模型验证
    2.6 本章小结
3 铝电解槽铝液扩散传质模型建立及应用
    3.1 铝液扩散传质数学模型
        3.1.1 湍流传质模型
        3.1.2 模型参数的确定
        3.1.3 铝液接触损失统计模型
        3.1.4 浓度边界层模型
        3.1.5 电流效率计算
    3.2 物理模型及边界条件
        3.2.1 几何模型及网格划分
        3.2.2 边界条件
        3.2.3 浓度源项
    3.3 结果分析
        3.3.1 350kA系列槽铝液浓度场分析
        3.3.2 420kA系列槽浓度场分析
    3.4 结果验证
        3.4.1 铝浓度分布验证
        3.4.2 铝损失验证
    3.5 本章小结
4 磁场对铝电解槽流场和铝浓度场的影响
    4.1 铝电解槽磁场工况选定
    4.2 磁场对流场的影响
        4.2.1 熔体速度分布计算分析
        4.2.2 熔体湍流计算结果分析
    4.3 磁场对铝液扩散的影响
        4.3.1 铝液浓度场计算结果分析
        4.3.2 电流效率分析模型
        4.3.3 磁场优化思路
    4.4 本章小结
5 结论和展望
参考文献
发表论文和参加科研情况
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]预焙阳极铝电解技术研发进展[J]. 闫绍勇.  轻金属. 2013(09)
[2]铝电解节能技术现状与思考[J]. 杨文杰,史志荣,焦庆国.  轻金属. 2012(05)
[3]500kA电解槽用铝电解多功能机组的开发与应用[J]. 高忠江.  有色设备. 2011(01)
[4]曳力模型对模拟鼓泡塔气含率的影响[J]. 吴宗应,杨宁.  化工学报. 2010(11)
[5]浅议铝电解工业的节能减排[J]. 侯光辉,邱仕麟,柴登鹏.  轻金属. 2010(08)
[6]铝电解生产工艺节能途径[J]. 冯兴春.  金属世界. 2010(04)
[7]浅谈中国铝电解技术发展与进步[J]. 张勇,马思聪,董远霞.  世界有色金属. 2008(01)
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博士论文
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[2]化工计算传质学的研究[D]. 孙志民.天津大学 2005
[3]流体力学传质计算新模型的研究和在塔板上的应用[D]. 刘伯潭.天津大学 2004
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硕士论文
[1]铝电解过程多物理场分析[D]. 王蓉娟.北方工业大学 2013
[2]铝电解供电监控系统的综合自动化设计与实现[D]. 田鑫.电子科技大学 2013
[3]铝电解槽内熔体涡运动与氧化铝输运过程的数值模拟研究[D]. 张翮辉.中南大学 2012
[4]200kA级铝电解槽综合节能技术的开发和应用[D]. 李有国.中南大学 2010
[5]铝电解槽内熔体运动数学建模及应用研究[D]. 徐宇杰.中南大学 2010
[6]基于阳极电流波动信号的铝电解槽槽况诊断方法研究[D]. 殷小宝.中南大学 2010
[7]基于速度场的铝电解槽电流效率的研究[D]. 李春旺.华中科技大学 2006
[8]铝电解槽内电解质流场的数值模拟研究[D]. 夏小霞.中南大学 2005
[9]大型铝电解槽设计参数的选择与优化研究[D]. 万押平.中南大学 2004



本文编号：3191950