稀土浸出过程溶质传递的格子Boltzmann模拟.pdfVIP

第 l4卷第5期 过 程 工 程 学 报 、，01．14NO．5 2014年 1O月 TheChineseJournalofProcessEngineering Oct．2014 稀土浸出过程溶质传递的格子 BoItzmann模拟 吴承优 ， 邱廷省 ， 王利民 (1．江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2．中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京 100190) 摘 要：采用耦合传质的格子Boltzmann方法模拟风化壳淋积型稀土矿中稀土浸出的溶质传递过程，在验证模型有效 性的前提下，获得了稀土矿填充孔隙中流体流动的速度分布和伴随流动过程的溶质浓度分布．通过考察浸取流速对溶 质传递过程的影响，得到最佳浸取流速，约为 0．25—0．35mmfs，使溶质传递效率最高．浸取流速小于 0．2mm／s导致浸 取周期过长、浸取剂消耗量大；浸取流速大于0．4mm／s引起沟流，导致稀土不能有效地浸出．此外，模拟所得传质舍 伍德数 随雷诺数 P的变化关系与经验关系式吻合，表明提出的模型可用于预测稀土浸出过程的溶质传递规律． 关键词：稀土；浸出；孔隙流速；溶质传递；格子Boltzmann方法 中图分类号：TD955；TF803．2 文献标识码：A 文章编号：1009—606X(2014)05—0730—07 意义． 1 前 言 格子 Boltzmann方法(La~iceBoltzmannMethod， 近年来，通过化学浸取从风化壳淋积型稀土矿中提 LBM)[】作为一种介观数值方法，以分子运动论和统计力 取稀土的技术越来越受关注 l【】．风化壳淋积型稀土矿具 学为基础，从微观角度出发揭示复杂流动现象的宏观运 有一般多孔非固结性介质的特性，其所含稀土主要以水 动规律．LBM描述了具有离散速度的流体粒子分布函数 合阳离子或羟基水合阳离子形式稳定地被吸附在黏土 在一定规则格子上的碰撞与迁移演化过程，通过粒子分 矿物上 【，因而稀土浸出工艺中溶质传递的过程实质上 布函数计算得到宏观密度和速度．现在应用最广泛的 属溶质在多孔介质中传递的范畴．在稀土浸取柱中，吸 LBM 是 DnQb系列单弛豫时间模型或称 LBGK(Lattice 附着稀土离子的黏土矿物为固定相，加入的浸取剂溶液 Bhatnagar-Gross-Krook)模型8【,9]．LBM具有算法简单、 为流动相．当浸取剂溶液在稀土矿物颗粒表面发生离子 内在的并行性及易处理复杂几何边界条件等优点 川，为 交换时，浸取剂阳离子被吸附到黏土矿物上，而稀土离 稀土矿复杂孔隙中溶质传递的详细模拟提供了可能． 子则被解吸进入溶液中形成浸出液，并随浸取剂溶液在 目前，已有一些研究者尝试采用格子Boltzmann方 稀土矿填充孔隙中扩散． 法研究复杂多孔介质中的溶质传递．He等 l【lJ通过边界 目前，在风化壳淋积型稀土矿稀土浸取工艺中主要 条件的合理设置实现对流体一壁面间的化学反应及溶质 存在浸取工作量大、浸取周期长、浸取剂消耗量大、浸 扩散过程的模拟研究．Kang等[12-14】发展了一系列 LBM 出液浓度低及浸取理论基础薄弱等问 ”．针对这些问 孔隙尺度模型用于模拟矿物溶解反应时的溶质传递． 题，大部分研究者都采用实验方法进行相关研究．吴爱 Zhang等[]采用孔隙尺度模型模拟研究了多孔介质中的 祥等[3]对离子型稀土矿原地溶浸过程进行了研究，分析 水流速度对可吸附性溶质反应速率的影响．Chen等[16] 了影响溶浸液渗流规律的主要因素．Tian等4【5】对风化壳