离子型稀土矿浸矿过程渗流特性及离子交换反应的数值模拟

离子型稀土是我国特有的优质稀土矿种,其含有种类齐全、价值极高的中重稀土元素,在很多领域都有着广泛的应用,是一种战略地位极高的矿产资源。但长期以来的粗放式开采导致稀土资源急剧下降,虽然经过研究者对浸矿工艺的不断探索和改进,但依然存在浸出周期长、浸出效率低等问题,严重阻碍了稀土资源开发利用的可持续发展。针对原地浸矿工艺中最主要的渗流和化学反应过程,目前大多数研究都是基于实验方法,但实验方法只能得到始末的数据,无法对孔隙内部的流动现象进行准确描述,也难以得到反应的瞬态数据。 为了能够更好地描述复杂的浸出过程规律,本文采用ComputationalFluidDynamics(CFD)模拟方法,结合水动力学和化学反应动力学等相关基础理论,对渗流过程中的液固体系进行数值模拟分析,探究不同参数条件下对渗流规律及离子交换反应的影响,主要的结论如下: (1)基于CFD方法的数值模拟可以较为准确描述孔隙介质内的流体流动,与实验结果有较好的一致性,平均误差为7%左右。随着浸取剂流速的增大,流体流经多孔介质产生的能量损失也越大,其规律可以用线性拟合公式表示:hf=26.16v-0.008。床层孔隙率和颗粒粒径的大小会影响流体流动的阻力。当流速相同时,多孔介质的孔隙率越大,渗流所产生的水力梯度越小;颗粒粒径越小,渗流所产生的水力梯度越大。随着流速的增大,渗流会出现偏离达西线性定律的现象。 (2)颗粒的堆积方式会影响流体在多孔介质中的渗流,在相同的堆积颗粒数量条件下,颗粒堆积的越紧密,其渗流产生的总能量损失越小。不同的颗粒形貌在渗流时所产生的能量损失也不同,与流体流动方向上相接触的颗粒表面积越大,产生的能量损失越大。 (3)耦合化学反应动力学方程的CFD模型可以较为准确地描述离子型稀土矿的浸出过程,其与实验结果吻合度较好,平均误差为11.2%;经过浸取反应后的稀土矿固体的体积分数会减小,在600min的反应时间里,固体的体积分数减小了10.2%。稀土矿固体的孔隙率越大,稀土浸出率越小,孔隙率增大26%,稀土浸出率减小了12%。浸取剂入口流速越大,稀土浸出率越大,但浸取剂的消耗量也越大。因此,在保证较高浸出率的前提下,为节约生产成本,建议入口流速控制在0.004m/s到0.006m/s之间。