Исследование МГД-стабильности алюминиевого электролизера при различных условиях проведения технологического процесса

Математическое моделирование процесса работы промышленного электролизера алюминия позволяет спрогнозировать и указать причины развития МГД-нестабильности, возникновения анодного эффекта, перекоса зеркала металла, а также исследовать другие основные особенности процесса электролиза алюминия. Для анализа МГД-стабильности электролизера адаптирована трехмерная математическая модель, в которой используется многофазный подход к описанию среды (металл, газ, электролит), а также взаимосвязь гидродинамических, электромагнитных, электрохимических и тепловых процессов, протекающих в ванне. Проведены тестовые расчеты. Подтверждены наличие сходимости предложенного численного решения поставленной задачи с достаточной точностью и адекватность модели. Описаны результаты исследования с помощью вычислений МГД-стабильности многоанодного электролизера при изменении теплового режима и конфигурации формы рабочего пространства, учитывая развитие МГД-нестабильности при замене выгоревших анодов и моделирование границ раздела фаз металл--электролит и зоны обратного окисления. Оценено влияние на МГД-стабильность различных форм начальных конфигураций настыли. Исследовано влияние параметров процесса на форму рабочего пространства ванны, которая, как поверхность раздела фаз металл--электролит и поверхность зоны обратного окисления, является динамическим объектом. В частности, изучено влияние изменения потенциала на МГД-стабильную форму рабочего пространства ванны. Показано, что варьируя величину потенциала на любой паре анодов, можно менять форму рабочего пространства электролизной ванны: при увеличении потенциала происходит плавление настыли, при уменьшении --- нарастание. При этом замечено увеличение амплитуды колебаний жидкого металла и нижней границы зоны обратного окисления, но их изменения находятся в диапазоне, приемлемом для МГД-стабильности процесса электролиза

Литература

[1] Thonstad J., Fellner P., Haarberg G.M., et al. Aluminium electrolysis: fundamentals of the hall-heroult process. Dusseldorf, Aluminum, 2001.

[2] Bojarevics V.V., Romerio M.V. Long waves instability of liquid metal-electrolyte interface in aluminium electrolysis cells: a generalization of Sele’s criterion. Eur. J. Mech. B/Fluids, 1994, vol. 13, no. 1, pp. 33--56.

[3] Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М., Наука, 1987.

[4] Савенкова Н.П., Анпилов С.В. Двухфазная трехмерная модель МГД-стабильности алюминиевого электролизера. Тихоновские чтения. Сб. тез. М., МАКС Пресс, 2011, с. 70--71.

[5] Патанкар С.В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М., Энергоатомиздат, 1984.

[6] Савенкова Н.П., Кузьмин Р.Н., Анпилов С.В. и др. Моделирование влияния динамики изменения внутреннего пространства ванны алюминиевого электролизера на МГД-процессы. Успехи прикладной физики, 2016, т. 4, № 4, с. 409--415.

[7] Елизарова Т.Г., Милюкова О.М. Численное моделирование течения вязкой несжимаемой жидкости в кубической каверне. Журнал вычислительной математики и математической физики, 2003, т. 43, № 3, с. 453--466.

[8] Stellingwerf R.F., Wingate C.A. Impact modelling with Smooth Particle Hydrodynamics. Memorie della Societa Astronomica Italiana, 1994, vol. 65, pp. 1117--1128.

[9] Савенкова Н.П., Кузьмин Р.Н., Проворова О.Г. и др. Двумерная и трехмерная математические модели электролиза алюминия. Динамика сложных систем --- XXI век, 2009, № 2, с. 53--60.

[10] Белолипецкий В.М., Пискажова Т.В. Математическое моделирование процесса электролитического получения алюминия для решения задач управления технологией. Известия вузов. Цветная металлургия, 2013, № 4, с. 59--63. DOI: https://doi.org/10.17073/0021-3438-2013-4-59-63

[11] Савенкова Н.П., Анпилов С.В., Кузьмин Р.Н. и др. Двухфазная трехмерная модель алюминиевого электролизера. Прикладная физика, 2012, № 3, с. 111--115.

[12] Савенкова Н.П., Шобухов А.В., Анпилов С.В. и др. Математическое моделирование физико-технологического процесса электролиза. Прикладная физика, 2009, № 6, с. 43--51.

[13] Mohsen A., Desilets M., Proulx P. On the analysis of ionic mass transfer in the electrolytic bath of an aluminum reduction cell. Can. J. Chem. Eng., 2014, vol. 92, no. 11, pp. 1951--1964. DOI: https://doi.org/10.1002/cjce.22047

[14] Severo D.S., Gusberti V. A modelling approach to estimate bath and metal heat transfer coefficients. In: Essential readings in light metals. Springer, 2016, pp. 309--314.

[15] Severo D.S., Gusberti V., Pinto E.C.V., et al. Modeling the bubble driven flow in the electrolyte as a tool for slotted anode design improvement. In: Essential readings in light metals. Vol. 2. Springer, 2016, pp. 409--414.