詹水清，王貞濤，楊建紅，鄭 俊，王軍鋒

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鋁電解陽(yáng)極氣泡動(dòng)力學(xué)及分布特性的低溫電解實(shí)驗(yàn)研究

詹水清1，王貞濤1，楊建紅2，鄭 俊1，王軍鋒1

(1. 江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2．江蘇大學(xué) 綠色材料與冶金研究院，鎮(zhèn)江 212013)

以河南某廠300 kA鋁電解槽為原型，基于相似原理，按與原型1:4的幾何比例設(shè)計(jì)和搭建大尺度低溫電解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探討和分析陽(yáng)極底掌氣泡的成核、長(zhǎng)大、聚并、破碎及分離等動(dòng)力學(xué)行為及分布特性規(guī)律。結(jié)果表明：陽(yáng)極底掌成核點(diǎn)處首先主要產(chǎn)生尺寸極小且分布比較均勻的氣泡，然后這些氣泡在擴(kuò)散和傳質(zhì)引起的生長(zhǎng)及碰撞和“吞噬”引起的聚并過(guò)程中不斷長(zhǎng)大，最后在陽(yáng)極底掌邊緣發(fā)生一定的分離與破碎過(guò)程，同時(shí)還伴隨著較強(qiáng)烈的液體局部循環(huán)擾動(dòng)。陽(yáng)極底掌氣泡層內(nèi)氣泡的尺寸分布范圍比較寬且形狀差異較大，數(shù)量比較少的大尺寸及中等尺寸氣泡的周圍存在著數(shù)量比較多的小尺寸氣泡。改變電流密度和陽(yáng)極傾斜角均對(duì)上述氣泡的相關(guān)動(dòng)力學(xué)行為和尺寸分布特性有著重要的影響。

鋁電解；陽(yáng)極氣泡動(dòng)力學(xué)；分布特性；低溫電解；實(shí)驗(yàn)研究

在鋁電解過(guò)程中，熔融電解質(zhì)內(nèi)的氧化鋁與碳陽(yáng)極發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，主要在陽(yáng)極底掌析出二氧化碳?xì)怏w[1]。由于陽(yáng)極底掌面積較大，陽(yáng)極底掌產(chǎn)生的陽(yáng)極氣泡逐漸增多并不斷地生長(zhǎng)，長(zhǎng)大后的氣泡與相鄰氣泡間會(huì)發(fā)生一定的聚并、破碎及分離等現(xiàn)象，產(chǎn)生不同尺寸大小的氣泡/氣泡群。一方面，氣泡攪動(dòng)電解質(zhì)的氣液兩相運(yùn)動(dòng)會(huì)提高熔體溫度與氧化鋁濃度分布的均勻性；另一方面，形成的氣泡群使極間電場(chǎng)及磁場(chǎng)分布發(fā)生變化，引起極間電阻增大、電壓升高，影響正常的下料控制策略，會(huì)引發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生，甚至?xí)?dǎo)致電解槽無(wú)法正常運(yùn)行[2]。

由于受工業(yè)鋁槽內(nèi)高溫及強(qiáng)腐蝕等不利環(huán)境的限制，現(xiàn)場(chǎng)難以直接測(cè)量槽內(nèi)的陽(yáng)極氣泡動(dòng)力學(xué)行為及分布特性，因此，物理模型實(shí)驗(yàn)方法成為了主要研究手段，主要包括冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)、熱力模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室電解實(shí)驗(yàn)研究。冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)一般采用室溫水來(lái)近似代替熔融電解質(zhì)進(jìn)行研究[3?7]，主要探討了陽(yáng)極底掌典型的氣泡成核、長(zhǎng)大、聚并及逸出等動(dòng)力學(xué)行為及影響因素，以及氣泡逸出引起的氣液兩相動(dòng)量及湍流傳輸?shù)刃袨?。冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低、裝置易于大型化，便于改變多種參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，但主要缺點(diǎn)是采用壓縮空氣來(lái)模擬實(shí)際的陽(yáng)極氣體，這與工業(yè)槽內(nèi)由于電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體的機(jī)理是完全不同的，且固定噴射點(diǎn)連續(xù)產(chǎn)生氣泡與實(shí)際電解情況不符。

目前，有關(guān)熱力模擬實(shí)驗(yàn)研究的相關(guān)報(bào)道比較少，KISS等[8]通過(guò)將金屬塊加熱使水汽化沸騰的方法來(lái)模擬槽內(nèi)的陽(yáng)極氣泡行為及其引起的電解質(zhì)運(yùn)動(dòng)；韓莉[9]采用加熱合金的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，加熱體汽化產(chǎn)生氣泡的運(yùn)動(dòng)速度和尺寸大小均比實(shí)際電解槽中的結(jié)果大。熱力模擬實(shí)驗(yàn)中水的運(yùn)動(dòng)受溫度梯度的影響非常明顯，且氣泡產(chǎn)生速率與加熱溫度密切相關(guān)，而工業(yè)槽內(nèi)電解質(zhì)運(yùn)動(dòng)受溫度梯度的影響非常小，因此，該類型的模型實(shí)驗(yàn)難以獲得廣泛應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)室電解實(shí)驗(yàn)研究主要分為高溫電解和低溫電解實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞N類型。高溫電解實(shí)驗(yàn)直接通過(guò)高溫電化學(xué)反應(yīng)生成陽(yáng)極氣泡，與工業(yè)槽內(nèi)的氣體產(chǎn)生方式一樣。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了諸多高溫電解實(shí)驗(yàn)研究[10?15]，系統(tǒng)性地對(duì)陽(yáng)極氣泡在電極表面的成核、長(zhǎng)大、聚并及脫離等行為進(jìn)行了詳細(xì)分析。高溫電解實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^真實(shí)地反映電解條件下陽(yáng)極氣泡的生成機(jī)理，獲得了許多有關(guān)氣泡動(dòng)力學(xué)行為及分布的參數(shù)信息，能夠加深對(duì)電解過(guò)程的認(rèn)識(shí)；但實(shí)驗(yàn)中所使用的陽(yáng)極形狀及尺寸大小受到很大的限制，而實(shí)際氣泡形態(tài)及尺寸分布等行為受其影響非常明顯，且實(shí)驗(yàn)觀察與測(cè)量較為困難，也無(wú)法合理描述宏觀的電解質(zhì)流場(chǎng)信息，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試方法仍有待進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。

相對(duì)于高溫電解實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，低溫電解實(shí)驗(yàn)由于也能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、易于測(cè)量，且實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叨燃昂暧^流場(chǎng)等均不會(huì)受到限制，因此受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注[16?18]。QIAN等[16]在低溫電解實(shí)驗(yàn)中選擇氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極和陰極表面均產(chǎn)生了氣泡，與實(shí)際電解產(chǎn)生氣泡的機(jī)制并不相同。為了使實(shí)驗(yàn)中只在陽(yáng)極表面產(chǎn)生氣泡，薛玉卿等[17]以硫酸銅(CuSO4)溶液代替電解質(zhì)，研究了陽(yáng)極氣泡逸出及其影響電解質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，但該實(shí)驗(yàn)的主要不足之處在于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绶浅Ｐ?，觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及規(guī)律可能與實(shí)際情況相差較大。ALAM等[18]基于相似原理，搭建了低溫鋁電解實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)陽(yáng)極氣泡的成核、長(zhǎng)大、聚并和分離等過(guò)程進(jìn)行了初步研究，但更多相關(guān)陽(yáng)極氣泡動(dòng)力學(xué)行為及分布特性的研究仍有待于進(jìn)一步探討。

為更好地對(duì)實(shí)際槽內(nèi)陽(yáng)極氣泡的動(dòng)力學(xué)行為及尺寸分布等特性進(jìn)行系統(tǒng)性描述，本文作者基于相似原理設(shè)計(jì)和搭建了一套尺度較大的低溫電解實(shí)驗(yàn)裝置。雖然低溫電解產(chǎn)生的氣體與高溫電解不同，但主要研究重點(diǎn)是探討和分析大尺度陽(yáng)極底掌下的氣泡產(chǎn)生、成核長(zhǎng)大、聚并、破碎及分離等行為過(guò)程，因此能較好地加深對(duì)實(shí)際槽陽(yáng)極底掌氣泡動(dòng)力學(xué)行為及分布特性規(guī)律的認(rèn)識(shí)，研究結(jié)果將為大型工業(yè)鋁電解槽的設(shè)計(jì)及研發(fā)等提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 低溫電解實(shí)驗(yàn)原理及過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

工業(yè)鋁電解槽為960 ℃左右的高溫強(qiáng)腐蝕熔融鹽體系，主要在陽(yáng)極底掌產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，槽內(nèi)總的電解過(guò)程反應(yīng)為：

2Al2O3+3C=4Al+3CO2(1)

陽(yáng)極氣泡從陽(yáng)極底掌產(chǎn)生到逸出電解質(zhì)表面過(guò)程中，氣泡主要受慣性力、浮力、表面張力和粘性力等作用。根據(jù)相似原理理論，必須保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工業(yè)槽模型的幾何相似和動(dòng)力相似。以國(guó)內(nèi)河南某廠300 kA鋁電解槽為原型，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工業(yè)槽模型的幾何相似比為1:4，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

動(dòng)力相似要求實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)液體的物理性質(zhì)與工業(yè)槽內(nèi)電解質(zhì)的物理性質(zhì)相同或相近。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備及調(diào)研工作認(rèn)為，要使實(shí)驗(yàn)原理和現(xiàn)象與實(shí)際情況比較接近，CuSO4溶液作為電解質(zhì)比較合適。利用CuSO4溶液電解時(shí)，只有陽(yáng)極表面會(huì)產(chǎn)生氣泡，雖然溶液為藍(lán)色，但是實(shí)驗(yàn)中選擇合適的光源和合適濃度大小的溶液，仍能得到較為合理清晰的氣泡圖像數(shù)據(jù)。依據(jù)工業(yè)電解精煉銅電化學(xué)原理，在電解過(guò)程中，陽(yáng)極底掌會(huì)產(chǎn)生一定的氧氣，而陰極的產(chǎn)物為金屬銅，實(shí)驗(yàn)中總的電解過(guò)程反應(yīng)為：

CuSO4+2e+H2O=Cu+H2SO4+1/2O2(2)

本研究建立的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)電解槽能近似地反映工業(yè)鋁電解槽內(nèi)的陽(yáng)極氣泡生成機(jī)理，雖然產(chǎn)生的O2與實(shí)際槽內(nèi)的CO2不同，但為探討大尺度陽(yáng)極底掌下的氣泡產(chǎn)生、成核長(zhǎng)大、聚并、破碎及分離等行為過(guò)程提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蠧uSO4溶液和工業(yè)槽內(nèi)熔融電解質(zhì)的相關(guān)物性參數(shù)對(duì)比如表2所列。

表2 電解實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型的物性參數(shù)[19]

動(dòng)力相似還要求表征不同模型中的相關(guān)無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)均相同或相近。在鋁電解槽氣?液兩相體系內(nèi)，陽(yáng)極氣泡主要在慣性力和浮力的共同作用下逸出電解質(zhì)表面，因此弗勞德數(shù)對(duì)于其引起的宏觀流動(dòng)過(guò)程非常重要；同時(shí)，為能準(zhǔn)確描述槽內(nèi)陽(yáng)極氣泡的尺寸及分布等特性，奧托數(shù)和莫頓數(shù)的影響也必須考慮進(jìn)去，這兩個(gè)無(wú)量綱數(shù)是決定氣泡尺寸和形狀等特性的關(guān)鍵參數(shù)[6, 20]。因此，本文作者主要依據(jù)、和的相似設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)相似準(zhǔn)則數(shù)核算及表達(dá)式參見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)步驟

本研究設(shè)計(jì)的低溫電解實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用1.0 mol/LCuSO4與0.2 mol/L硫酸鈉(Na2SO4)的混合溶液代替熔融電解質(zhì)，添加部分Na2SO4溶液的目的是為了增強(qiáng)導(dǎo)電性。采用鋼化玻璃槽作為電解槽，其硬度及透明性等均比較好，陽(yáng)極尺寸為400 mm× 160 mm×400 mm，陽(yáng)極底部為20 mm厚的鉛板，陰極為20 mm厚的紫銅板，陽(yáng)極與陰極彼此水平放置，且面積相等，極間距離為50 mm，陽(yáng)極浸入深度為150 mm。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)一個(gè)2 mm厚且上下貫穿的不銹鋼框架，并將該框架的下端與鉛板相連接起來(lái)，整體上看起來(lái)類似于工業(yè)槽內(nèi)的碳陽(yáng)極。實(shí)驗(yàn)采用400 A-12 V系列的直流電源，可控電流范圍為0~400 A，電壓范圍為0~12 V。進(jìn)電端和出電端分別采用陽(yáng)極母線和陰極母線進(jìn)行連接，陽(yáng)極母線與鉛陽(yáng)極之間用3根導(dǎo)電性較好的銅棒進(jìn)行連接，陰極母線直接從紫銅陰極板接到電源的負(fù)極。

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的電流強(qiáng)度變化范圍為40~160 A，則對(duì)應(yīng)的電流密度變化范圍為0.0625~0.25 A/cm2。由于實(shí)驗(yàn)所用的陰極為不透明的紫銅板，難以從陰極底部直接在垂直陽(yáng)極底掌的方向進(jìn)行拍照，因此試驗(yàn)中主要從陽(yáng)極的斜側(cè)面方向?qū)馀輬D像進(jìn)行拍攝。為能較方便地捕捉到清晰的氣泡圖像，在陰極表面放置一排大功率的熒光鈉燈作為加強(qiáng)的光源，因?yàn)殁c燈所占的體積比較小，基本不影響極間正常的電解過(guò)程。通過(guò)圖像后處理軟件將拍攝的視頻按一定的幀數(shù)截取多個(gè)單幀圖片，本研究取25幀/s，即每張圖像的間隔時(shí)間為0.04 s，并將氣泡圖像進(jìn)行灰度處理，以便較好地辨別不同的氣泡分布形態(tài)。

圖1 低溫電解實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 低溫電解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 結(jié)果與分析

2.1 初始階段的氣泡成核及生長(zhǎng)

本節(jié)內(nèi)容所討論的均是陽(yáng)極在水平放置下的氣泡分布結(jié)果。圖3所示為不同電流密度下初始?xì)馀莘植继匦噪S時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)圖像，主要考察整個(gè)陽(yáng)極底掌初始?xì)馀莸某珊思吧L(zhǎng)過(guò)程。可以看出，在電解開(kāi)始時(shí)，陽(yáng)極底掌均產(chǎn)生尺寸極小的氣泡(簡(jiǎn)稱為極小尺寸氣泡)，且氣泡尺寸分布比較均勻。在=2 s時(shí)刻，在不同電流密度下，這些極小尺寸氣泡的數(shù)量不同，這主要與不同電流密度下陽(yáng)極表面的氣泡成核點(diǎn)數(shù)量有關(guān)。極小尺寸氣泡會(huì)繼續(xù)在成核點(diǎn)處逐漸長(zhǎng)大，氣泡尺寸也在不斷增大，這個(gè)過(guò)程稱為氣泡的生長(zhǎng)過(guò)程。當(dāng)氣泡尺寸增大到一定程度后，氣泡便會(huì)在陽(yáng)極表面快速擴(kuò)張，當(dāng)促使氣泡運(yùn)動(dòng)的外力大于束縛于其固定在成核點(diǎn)處的合力時(shí)，長(zhǎng)大的氣泡就會(huì)達(dá)到一定的固定體積，氣泡就會(huì)掙脫和離開(kāi)成核點(diǎn)向周圍運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)機(jī)制在不同電流密度下的情況基本類似，但是提高電流密度會(huì)加快這種氣泡的生長(zhǎng)過(guò)程，比如在=5 s時(shí)，電流密度為0.25 A/cm2時(shí)的氣泡便已經(jīng)開(kāi)始離開(kāi)成核點(diǎn)，而電流密度為0.0625 A/cm2時(shí)的氣泡還仍處于生長(zhǎng)階段。

氣泡的生長(zhǎng)過(guò)程可以理解為硫酸銅溶液(以下均簡(jiǎn)稱為溶液)中的O2分子不斷地向成核點(diǎn)處氣泡的擴(kuò)散和傳質(zhì)過(guò)程。陽(yáng)極界面由于電化學(xué)反應(yīng)生成的O2分子首先溶解于溶液中，并不斷向溶液主體進(jìn)行擴(kuò)散，使某一時(shí)刻溶液中的O2分子濃度達(dá)到飽和或一定的過(guò)飽和狀態(tài)。若此時(shí)陽(yáng)極界面的成核點(diǎn)上已經(jīng)形成穩(wěn)定的極小氣泡，在溶液本體中的O2分子濃度與氣泡膜內(nèi)壁面的O2分子濃度差的驅(qū)使下，溶液中的O2分子則會(huì)不斷地向氣泡表面進(jìn)行擴(kuò)散，由氣泡表面的邊界逐漸擴(kuò)散至氣泡內(nèi)部，從而導(dǎo)致成核點(diǎn)處的氣泡尺寸、體積及質(zhì)量等都會(huì)有一定程度的增大。

圖3 不同電流密度下的初始?xì)馀菪袨?/p>

2.2 氣泡的聚并過(guò)程

陽(yáng)極氣泡在成核點(diǎn)經(jīng)歷一定的生長(zhǎng)過(guò)程后，在外力的驅(qū)動(dòng)作用下離開(kāi)成核點(diǎn)，溶液就會(huì)穿透和浸入到陽(yáng)極表面與氣泡中間的區(qū)域，形成一層液體膜，氣泡主要在液體膜上進(jìn)行移動(dòng)。氣泡在陽(yáng)極底掌移動(dòng)過(guò)程中，氣泡與氣泡之間因?yàn)榕鲎沧饔脮?huì)發(fā)生一定的聚并過(guò)程，氣泡尺寸的增大過(guò)程比較明顯。陽(yáng)極底掌局部位置的氣泡與氣泡間的動(dòng)態(tài)聚并行為過(guò)程如圖4所示，重點(diǎn)分析圖中紅色標(biāo)記區(qū)域的氣泡聚并行為。為敘述方便，把不同尺寸的氣泡分別劃分為小尺寸氣泡、中等尺寸氣泡和大尺寸氣泡。可以看出，不同尺寸氣泡在陽(yáng)極底掌運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于各個(gè)氣泡的運(yùn)動(dòng)路徑及速度不同，大尺寸氣泡的運(yùn)動(dòng)速度較大，可以較快地追趕運(yùn)動(dòng)較慢的小尺寸氣泡，導(dǎo)致氣泡之間會(huì)發(fā)生一定的碰撞過(guò)程，主要在溶液的局部強(qiáng)湍流渦體的帶動(dòng)作用下，使部分氣泡發(fā)生明顯的聚并，從而使氣泡的形狀和尺寸發(fā)生明顯的改變(如=0.16~0.48 s)。氣泡在經(jīng)歷碰撞和聚并后，陽(yáng)極底掌氣泡形態(tài)的主要變化趨勢(shì)是氣泡的數(shù)量在減少，但是最終的氣泡尺寸在增大，氣泡尺寸從幾毫米增大到幾十毫米左右，且這種趨勢(shì)在=0.48 s以后的時(shí)間內(nèi)更加明顯。

在電解過(guò)程中，不同尺寸氣泡之間的碰撞引起的聚并行為使整個(gè)陽(yáng)極底掌覆蓋著一定厚度的連續(xù)氣泡層，且該氣泡層形態(tài)總是動(dòng)態(tài)變化的。圖5所示為陽(yáng)極底掌氣泡層內(nèi)的典型氣泡形態(tài)特征，包括小尺寸氣泡、中等尺寸氣泡和大尺寸氣泡?？梢钥闯?，氣泡層內(nèi)的氣泡形狀和尺寸與其對(duì)應(yīng)的體積有很大關(guān)系，小尺寸氣泡主要呈圓球狀或半圓球狀，大尺寸氣泡主要呈扁平狀，而中等尺寸氣泡經(jīng)歷從圓球狀、半圓球狀、橢球狀到扁平狀等形態(tài)的改變。從不同尺寸氣泡的數(shù)量和空間位置上看，數(shù)量比較少的大尺寸及中等尺寸氣泡的周圍存在著數(shù)量比較多的小尺寸氣泡，即可認(rèn)為氣泡尺寸越大，對(duì)應(yīng)的氣泡數(shù)量越少，氣泡的尺寸大小的分布范圍很寬。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中大量的氣泡圖像數(shù)據(jù)(未全部列出)對(duì)比和分析可知：小尺寸氣泡主要為成核、生長(zhǎng)及經(jīng)歷聚并程度等較少的氣泡，其尺寸大小范圍在0.5~5 mm左右；中等尺寸氣泡主要為生長(zhǎng)及經(jīng)歷聚并程度等較多的氣泡，其尺寸大小范圍在5~10 mm左右；大尺寸氣泡主要為經(jīng)歷多次聚并過(guò)程的氣泡，其尺寸大小范圍在10 mm以上，最大尺寸可能達(dá)到幾十毫米、甚至上百毫米。

圖4 不同時(shí)刻下氣泡的聚并行為

圖5 不同尺寸氣泡的典型特征

在分析了氣泡的碰撞和聚并規(guī)律的基礎(chǔ)上，探究電流密度對(duì)氣泡聚并行為的影響。當(dāng)電流密度提高時(shí)，一方面，氣泡在陽(yáng)極表面成核產(chǎn)生的數(shù)量就越多，這樣就會(huì)有更多的氣泡在陽(yáng)極底掌移動(dòng)，因此氣泡之間的碰撞和聚并機(jī)會(huì)就會(huì)增多，將會(huì)產(chǎn)生更多的大尺寸氣泡；另一方面，由于大尺寸氣泡受到的氣?液相間阻力較小，且其所受的浮力隨氣泡體積增大而增大的程度比較明顯，而表面張力卻不能增大同樣的比例。因此，總的來(lái)說(shuō)，促使大尺寸氣泡運(yùn)動(dòng)的外力在增大，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)速度加快，能夠在短時(shí)間內(nèi)追趕尺寸較小的氣泡，也同樣增加了不同尺寸氣泡間的碰撞和聚并機(jī)會(huì)?？偠灾?，當(dāng)電流密度在一定的合理范圍內(nèi)提高時(shí)，能夠增加不同尺寸氣泡間的碰撞和聚并概率，形成大尺寸氣泡的數(shù)量會(huì)較多。

需要說(shuō)明的是，與同等面積或體積大小的多個(gè)小尺寸氣泡相比，陽(yáng)極底掌的單個(gè)大尺寸氣泡對(duì)氣泡層內(nèi)氣?液兩相動(dòng)力學(xué)及形態(tài)的影響效果比較關(guān)鍵，因此，下面將繼續(xù)對(duì)大尺寸氣泡的形態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行介紹。

2.3 大尺寸氣泡的橫掃效果

由于氣泡聚并引起大尺寸氣泡的體積越來(lái)越大，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度也越大，這樣會(huì)增加氣泡間的聚并機(jī)會(huì)，并沿途會(huì)“吞噬”更多的運(yùn)動(dòng)較慢的小尺寸氣泡，將會(huì)在陽(yáng)極底掌留下一部分空余的空間，此時(shí)的氣泡覆蓋率會(huì)降低很多。以上現(xiàn)象稱為大尺寸氣泡的橫掃現(xiàn)象，如圖6中紅色框內(nèi)標(biāo)記所示。單個(gè)大尺寸氣泡在陽(yáng)極底掌幾乎以同樣的方向移動(dòng)，其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地“吞噬”前方數(shù)量較多的小尺寸氣泡，導(dǎo)致該大尺寸氣泡的體積不斷增大，但是在較短時(shí)間內(nèi)其沿途流動(dòng)過(guò)的部分區(qū)域卻沒(méi)有其他的氣泡及時(shí)流入和補(bǔ)充，從而在陽(yáng)極底掌出現(xiàn)面積比較大的空白區(qū)域(如=1.88~3.44 s)。大尺寸氣泡的這種橫掃效果引起氣泡尺寸的繼續(xù)增大過(guò)程與氣泡間的聚并行為過(guò)程并不相同，主要突出的是單個(gè)大尺寸氣泡的運(yùn)動(dòng)行為特點(diǎn)。因此，可以推測(cè)，當(dāng)陽(yáng)極尺寸較大時(shí)，這種橫掃效果可能會(huì)產(chǎn)生尺寸更大的氣泡，所留下的氣泡空白區(qū)域?qū)⒏?，?duì)氣泡覆蓋率的影響更明顯，從而對(duì)極間的氣泡層形態(tài)分布、電流分布、電壓降及氣泡帶動(dòng)液體的動(dòng)量及湍流傳輸?shù)扔忻黠@的影響，如氣泡層中的小尺寸氣泡的數(shù)量會(huì)減少，被大尺寸氣泡橫掃區(qū)域內(nèi)的液體運(yùn)動(dòng)速度會(huì)發(fā)生明顯的波動(dòng)等。上述結(jié)論可為后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展更大尺度的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图安捎脭?shù)值模擬方法研究工業(yè)大型槽內(nèi)的氣泡動(dòng)力學(xué)行為等奠定理論基礎(chǔ)。

2.4 大尺寸氣泡的脫離及破碎過(guò)程

陽(yáng)極底掌不同尺寸氣泡在經(jīng)歷復(fù)雜的成核、生長(zhǎng)、聚并及橫掃變形等過(guò)程后，總會(huì)有部分氣泡連續(xù)地運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極底掌邊緣，最后經(jīng)過(guò)陽(yáng)極不同的縫中而逸出到電解質(zhì)表面。圖7所示為陽(yáng)極邊緣局部位置處單個(gè)大尺寸氣泡脫離及破碎過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為過(guò)程?？梢钥闯?，在單個(gè)大尺寸氣泡脫離陽(yáng)極邊緣前的極短時(shí)間內(nèi)，如=0.0~0.20 s內(nèi)，主要發(fā)生氣泡的初步變形過(guò)程，對(duì)液體局部流動(dòng)過(guò)程的影響非常小。從=0.28 s開(kāi)始，該氣泡開(kāi)始在緊貼陽(yáng)極邊緣的槽縫逸出和脫離，此時(shí)氣泡的形態(tài)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程發(fā)生明顯的變化。氣泡的收縮和脈動(dòng)等過(guò)程急劇增強(qiáng)，氣泡會(huì)發(fā)生比較嚴(yán)重的變形(如=0.28~0.40 s)，使得氣泡的中心薄膜會(huì)突然斷裂，氣泡尺寸會(huì)有明顯減小的趨勢(shì)，分裂成一系列的小尺寸氣泡，還會(huì)伴隨著氣泡邊緣處的液體產(chǎn)生強(qiáng)烈的循環(huán)擾動(dòng)過(guò)程，詳見(jiàn)紅色框內(nèi)的標(biāo)記部分(如=0.60~1.12 s)。氣泡發(fā)生破碎過(guò)程主要是由于氣泡前端部分開(kāi)始自由脫離時(shí)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程由水平方向逐漸突變?yōu)榇怪狈较?，運(yùn)動(dòng)速度較大，而尾部氣泡的運(yùn)動(dòng)方向及速度不能和端部氣泡的運(yùn)動(dòng)方式一樣。端部和尾部氣泡的運(yùn)動(dòng)方向及速度的差異性會(huì)導(dǎo)致氣泡分布主要分為兩個(gè)部分，即自由上升的部分和在陽(yáng)極底掌繼續(xù)滑移的部分，將不可避免地破碎成不同尺寸分布、數(shù)量更多的小尺寸氣泡。

圖6 大尺寸氣泡橫掃小尺寸氣泡的過(guò)程

圖7 大尺寸氣泡的脫離及破碎過(guò)程

大尺寸氣泡的脫離和破碎等過(guò)程對(duì)槽內(nèi)局部流動(dòng)的影響非常重要，此過(guò)程將會(huì)使更多的液體返回到極間區(qū)域以補(bǔ)充大氣泡脫離后留下的多余空間，因此在陽(yáng)極邊緣形成一定的回流運(yùn)動(dòng)。這種回流現(xiàn)象會(huì)帶動(dòng)更多的液體產(chǎn)生非常明顯的波動(dòng)過(guò)程，造成局部湍流及流場(chǎng)分布變化較大，氣泡覆蓋率、電壓信號(hào)波動(dòng)等也會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的較大變化，有時(shí)甚至使陽(yáng)極底掌的部分氣泡暫時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，在有關(guān)實(shí)驗(yàn)[6,22]及數(shù)值模擬[23]研究中均有類似的報(bào)道。

2.5 傾斜陽(yáng)極對(duì)氣泡分布特性的影響

圖8所示為不同傾斜角下(分別為1°、2°和3°)的氣泡分布隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)圖像，固定電流密度為0.1875 A/cm2。為便于分析，將整個(gè)陽(yáng)極底掌從左至右分為3個(gè)區(qū)域，分別為左端、中端和右端區(qū)域，如圖8(a)所示，且陽(yáng)極傾斜時(shí)氣泡從左端往右端方向運(yùn)動(dòng)?？梢钥闯觯瑑A斜陽(yáng)極下的氣泡成核及生長(zhǎng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短，大概在0.1 s左右，比水平陽(yáng)極下持續(xù)的時(shí)間短很多。在不同傾斜角下，由于受沿傾斜方向較大的浮力作用，大多數(shù)氣泡很容易離開(kāi)成核點(diǎn)沿傾斜方向運(yùn)動(dòng)，氣泡運(yùn)動(dòng)速度與傾斜角大小密切相關(guān)，傾斜角越大，氣泡運(yùn)動(dòng)越快。因此，相同位置的氣泡在較大傾斜角下脫離陽(yáng)極底掌時(shí)所持續(xù)的時(shí)間變短，氣泡間的碰撞和聚并機(jī)會(huì)減少，最終導(dǎo)致傾斜角越大，氣泡尺寸越小，整體的氣泡尺寸分布越均勻。在相同的傾斜角下，由于氣泡的運(yùn)動(dòng)方向是基本確定的，即絕大部分氣泡都是沿著其初始位置往右端移動(dòng)，那么左端的氣泡在脫離陽(yáng)極邊緣前的運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)路徑也較長(zhǎng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的碰撞和聚并會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的大尺寸氣泡，且這些大尺寸氣泡在沿途還會(huì)不斷“吞噬”運(yùn)動(dòng)速度比較慢的小尺寸氣泡，導(dǎo)致大尺寸氣泡的尺寸越來(lái)越大。

圖9所示為是傾斜角為1°時(shí)陽(yáng)極底掌不同位置的氣泡分布特性?？梢钥闯觯蠖藚^(qū)域的小尺寸氣泡的數(shù)量比較多，而右端區(qū)域大多是大尺寸氣泡，但是氣泡數(shù)量比較少，中端區(qū)域的氣泡尺寸及數(shù)量等分布規(guī)律介于左端與右端之間。傾斜陽(yáng)極不同部位的氣泡尺寸分布規(guī)律與相關(guān)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[6, 22]。

對(duì)比水平陽(yáng)極和傾斜陽(yáng)極下的氣泡分布特性規(guī)律可知，傾斜陽(yáng)極下陽(yáng)極底掌不同位置處的氣泡尺寸及數(shù)量分布有明顯的不同，而水平陽(yáng)極下的氣泡分布特性在陽(yáng)極底掌位置上沒(méi)有一定的規(guī)律可言，傾斜陽(yáng)極下總的氣泡數(shù)量及各尺寸氣泡的數(shù)量均大大減少。傾斜陽(yáng)極下的氣泡覆蓋率比水平陽(yáng)極下的氣泡覆蓋率小很多，陽(yáng)極傾斜角越大，氣泡覆蓋率降低的程度更明顯。兩者的共同之處在于整體的氣泡數(shù)量分布相似，即氣泡尺寸越大，對(duì)應(yīng)的氣泡數(shù)量越小。實(shí)際鋁電解過(guò)程中，陽(yáng)極不斷被消耗，陽(yáng)極底掌大多呈復(fù)雜的傾斜形狀，有關(guān)傾斜陽(yáng)極下的氣泡動(dòng)力學(xué)及其分布特性研究非常關(guān)鍵，因此后續(xù)研究有必要對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行深入探討。

圖8 不同傾斜角下氣泡移動(dòng)過(guò)程

圖9 傾斜角為1°時(shí)不同部位氣泡分布特性

3 結(jié)論

1) 在電解初始時(shí)刻，陽(yáng)極底掌的成核點(diǎn)處主要產(chǎn)生尺寸極小的氣泡，且氣泡尺寸分布比較均勻，氣泡成核點(diǎn)的數(shù)量與電流密度大小有密切關(guān)系，提高電流密度會(huì)加快氣泡的生長(zhǎng)過(guò)程。

2) 經(jīng)歷長(zhǎng)大過(guò)程后的氣泡與相鄰氣泡間會(huì)發(fā)生一定的碰撞和聚并過(guò)程，在陽(yáng)極底掌生成一定厚度的連續(xù)氣泡層。該氣泡層內(nèi)的氣泡尺寸分布范圍比較寬，數(shù)量比較少的大尺寸及中等尺寸氣泡的周圍存在著數(shù)量比較多的小尺寸氣泡。

3) 由于氣泡聚并引起的大尺寸氣泡的運(yùn)動(dòng)速度越大，進(jìn)一步增加了氣泡間的聚并機(jī)會(huì)，在沿途會(huì)“吞噬”數(shù)量多且運(yùn)動(dòng)較慢的小尺寸氣泡，造成“吞噬”過(guò)程中的氣泡覆蓋率大大降低。

4) 大尺寸氣泡在脫離陽(yáng)極底掌過(guò)程中，氣泡的體積收縮過(guò)程比較明顯，還會(huì)發(fā)生一定的破碎過(guò)程，形成數(shù)量較多的小尺寸氣泡，同時(shí)還伴隨著較強(qiáng)烈的液體局部循環(huán)擾動(dòng)。

5) 傾斜陽(yáng)極對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)速度和尺寸分布的影響比較大，增大陽(yáng)極傾斜角會(huì)減少氣泡間的碰撞和聚并機(jī)會(huì)，生成的大尺寸氣泡比水平陽(yáng)極少很多，整體的氣泡尺寸分布范圍非常窄。

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Experimental research on dynamics and distribution characteristics of anodic bubbles in aluminum electrolysis cells with low temperature electrolysis

ZHAN Shui-qing1, WANG Zhen-tao1, YANG Jian-hong2, ZHENG Jun1, WANG Jun-feng1

(1. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Institute of Green Materials and Metallurgy, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Taken a 300 kA aluminum electrolysis cell in some aluminum company in Henan province, a novel low temperature electrolytic model with a geometric similarity ratio of 1:4 to its prototype was designed and constructed based on the principles of geometric and dynamic similarities. In addition, the bubble nucleation, growth, coalescence, breakup and detachment underneath the anode were recorded. The results show that electrolytic bubbles are first nucleated uniformly under the entire anode surface with small size. Then these bubbles grow up uncreasingly through the growth process caused by gas diffusion and mass transfer and the coalescence process caused by collision and swallowing. And finally some large bubbles escape from the edge of the anode bottom and break up into more smaller bubbles with a large amount of liquid flow. The bubble layer underneath the anode has a broad bubble size distribution and differs greatly in shape. The whole anode is covered by a few large and medium-sized bubbles and a large number of small bubbles. Changing current density and anode inclination angle has an important influence on some dynamical behavior mechanisms and distribution characteristics of the bubbles above.

aluminum electrolysis; anodic bubble dynamics; distribution characteristic; low temperature electrolysis; experimental research

(編輯 王 超)

Project(11502097) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2016M591781) supported by the China Postdoctoral Science Foundation, China; Project (2015JDG158) supported by the Foundation of Senior Talent of Jiangsu University, China; Project (PAPD) supported by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions, China

2017-03-28;

2017-07-23

ZHAN Shui-qing; Tel: +86-18852869020; E-mail: zhanshuiqing@ujs.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(11502097)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M591781)；江蘇大學(xué)高級(jí)人才基金資助項(xiàng)目(2015JDG158)；江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD)

2017-03-28；

2017-07-23

詹水清，講師，博士；電話：18852869020；E-mail: zhanshuiqing@ujs.edu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.12.25

1004-0609(2017)-12-2605-10

TF821

A