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通过数值建模设计环保阳极烘焙过程

荷兰代尔夫特技术大学的研究人员正在使用多物理模拟与阳极生产公司Aluchemie合作设计环保的阳极烘焙工艺。

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雷切尔·基特利（Rachel Keatley）
2020年7月

铝是地壳中第三大元素，可以在所有的箔纸中找到，从昨晚剩下的晚餐到遍布世界各地的飞机的机身。在可以使用铝生产此类物品之前，必须通过Hall -Héroult工艺将其冶炼和提取。在此过程中，使用绿色阳极从富含铝的岩石（铝土矿）中除去铝。为了在Hall -Héroult过程中有效，绿色阳极需要低反应性，强度和电导率。为了获得这些品质，需要烘烤阳极。

代尔夫特理工大学（TU DELFT）的博士生Prajakta Nakate是研究阳极烘焙过程设计的研究团队的一部分。该项目与荷兰的碳阳极烘焙公司Aluchemie合作。为了了解和优化铝生产增加的阳极烘焙过程，团队转向数值模拟。

适合厨师的阳极烘焙过程

烤蛋糕时，需要多种成分来获得正确的稠度，质地和风味。想想阳极烘烤过程，例如烘烤蛋糕，除了由多物理现象组成的成分，例如湍流，燃烧过程，结合传热和辐射 - 而不是烘烤良好的糕点，最终产品是可以的阳极用于铝提取的Hall -Héroult工艺。Nakate说：“我主要对这个项目感兴趣，因为这是一个多物理问题。”与烘烤蛋糕不同，阳极烘烤工艺努力实现多个目标，包括均匀的热量，减少能量使用以及燃烧过程中烟灰的减少。

这种阳极烘烤过程是极度强度的，并且释放了环境危险的排放，例如氮氧化物（否_X）。这种有毒气体是一种常见的空气污染物，可以形成烟雾和酸雨。Nakate的研究重点是减少NO_X在阳极烘烤过程中发出，以限制该过程对环境的负面有害影响。Nakate说：“在环境研究方面，化学过程总是受到责备，这就是促使我致力于优化阳极烘烤过程的原因，并确保其对环境的影响最小。”

为了减少否的形成_X在阳极烘烤期间，首先了解该过程中涉及的所有参数很重要。Nakate说：“要了解所有这些事情，您需要一种更复杂的方法，并且拥有数学模型来理解这些参数是最好的选择。”

数值建模：设计理想阳极烘烤过程的秘密要素

在与Tu Delft合作之前，Aluchemie试图使用试验和错误来优化其阳极烘焙炉（图1），但事实证明这种方法很耗时。Nakate说：“该项目最重要的部分是确定阳极烘焙过程的问题领域，我会说只有模拟才有可能。”在建模阳极烘烤过程时，Tu代代尔特研究团队使用了COMSOL多物理学^®软件是因为它提供了多物理环境，这对于该特定项目至关重要。

研究人员使用两种模型研究了阳极烘烤过程。第一个模型分析了炉子中空气和燃料（甲烷）的非反应性湍流，而第二个模型分析了用炉中辐射的反应性流动。第二个模型也是第一个模型的延续。在一个模型中描述了阳极烘烤过程中涉及的多种物理现象，该模型转化为一组数学方程，这构成了这些数值模型的基础。

两种模型都包含相同的几何形状：来自炉加热区的2D部分（图2）。根据Nakate的说法，使用复杂的几何形状是该项目最具挑战性的方面之一。炉子的几何形状包括炉子的每个部分中的3个挡板和约60-70块砖块。Nakate说：“如果您更换不同位置的领带，它们会改变炉中的流量，这会影响阳极烘烤过程的化学物种分布和温度。”领带砖和挡板为炉子的烟道墙提供了结构性强度，从那里释放了炉子的排气管。

非反射性和反应性湍流模型

当在非反应性湍流模型上工作时，Nakate和团队模拟并比较了两个湍流模型：Spalart-Allmaras模型和K-ε模型。这两个模型都有自己的优势，尤其是在分析阳极烘烤方面。

该团队用Spalart -Allmaras模型生成的流场结果，并通过另一个模拟环境提供了IB RAPTOR代码。Nakate说：“ IB Raptor代码主要是流量求解器；我们希望将结果验证为专门用于流模拟的软件。”comsol多物理学^®IB Raptor代码在炉中产生了相似的速度和粘度流（图3）。

研究团队通过添加甲烷的单步燃烧反应扩展了第一个模型（CH_₄）和传热，包括参与培养基中的辐射，使用化学反应工程模块和传热模块，附加产品到COMSOL多物理学乐动体育app无法登录^®。带辐射的反应性流模型的仿真结果为团队提供了合理的结果（图4），为进一步改进模型铺平了道路，以进一步理解和优化NO_X炉。

为阳极烘焙研究烹饪新型号

仿真使Tu Delft团队和Nakate能够分析和识别阳极烘焙炉中的重要区域，由于炉子的大尺寸，仅实验不可能进行实验。Nakate说：“我们只能通过拆下燃烧器并使用热相机拍摄照片来从顶部看到炉子，但是只有通过模拟观察炉中的实际温度或实际化学物种分布才能看到。”

至于未来的研究，TU代尔夫特团队目前正在努力将其阳极烘焙过程的2D模型扩展到3D瞬态模型。他们还计划在其新模型中彻底调查燃烧，这将帮助他们了解有关否的更多信息_X减少阳极烘烤过程。辐射是阳极烘烤过程中的主要物理现象，也将在扩展模型中进一步分析。

纳克特（Nakate）在讨论自己的个人目标时说：“我想从事一个直接申请行业和积极环境影响的项目。”因此，与Aluchemie一起研究阳极烘烤过程是她目标的完美结合。有了知识，Tu Delft团队和Nakate对继续研究并找到新的方法来设计优化的阳极烘焙过程，并通过模拟来设计新方法。