基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法及系统，涉及有色金属冶炼过程模拟仿真技术领域，包括：将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节；获取多个环节的特征，根据多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取；对多个环节的关键场进行耦合计算，获取不同环节的关键场信息，完成基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真

【技术实现步骤摘要】
基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法及系统


[0001]本专利技术涉及有色金属冶炼过程模拟仿真
，尤其涉及一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法及系统
。

技术介绍

[0002]矿浆电解技术，将机械搅拌
、
溶液净化与电极反应集中在一个槽内，从而实现“一步法”制备金属
。
在合适的电解质体系下，矿石中的金属离子通过化学溶解
、
化学氧化
、
阳极氧化等方式浸出，离子在电场力的作用下定向迁移到阴极板
。
为提高金属的回收率，阴极板外侧有隔膜袋，一方面起到与矿石搅动区分离，提高析出金属纯净度的目的，另一方面，对掉落的沉积金属有一定的回收作用
。
通过控制电压，可以实现金属离子的选择性浸出
。
基于矿浆电解工艺流程短
、
能耗低
、
离子析出具有可控性等优点，在复杂矿石以及电子垃圾处理方面的应用越来越广泛
。
但是，这种工艺也必然导致了结构装置的复杂性
、
协调性差等问题，明确槽内各部分的特点与详细运行规律对提高生产效率
、
降低成本具有重要意义
。
[0003]矿浆电解过程是一个涉及电解质流场
、
颗粒浓度场
、
组分输运场以及隔膜应力应变场的复杂体系
。
生产过程中，在搅拌桨的搅动下，槽内处于强湍流状态，以促进矿石的充分悬浮与组分输运；同时因受到流体与矿石的冲刷，运行一段时间后隔膜袋发生破损
。
槽内的搅拌死区
、
悬浮均匀度以及隔膜破损等问题是生产的限制性因素
。
一般矿浆电解过程中电解质选取
HCl
体系，正常运行时槽内温度可达
60℃
左右，在这种高酸
、
强腐蚀体系下难以对槽内流场等特点进行检测，对槽内的固液流动及运行状态无法直接实时监测
。
[0004]数值仿真技术在工业问题求解优化方面的适用性越来越强，目前针对固液搅拌的研究较为充分，包括不同搅拌参数和工艺参数对悬浮效果的影响，可以有效地优化工艺设计，对工业生产有很好的指导意义
。
但是研究对象多是传统的圆柱型搅拌槽，槽内包括搅拌桨
、
挡板，结构简单，槽内流动较为单一，对模型进行适当简化，直接求解即可
。
矿浆电解过程是一种涉及矿石悬浮
‑
溶解
‑
离子沉积
‑
隔膜形变的复杂体系，按照直接求解无法满足计算要求
。
槽内涉及宏观流动尺度与微观反应尺度，不同尺度之间耦合求解所需要的计算资源巨大，且已有求解方法有限，计算困难
。
目前对于矿浆电解这种复杂结构槽，且具有强酸
、
强湍流体系等工作报道的较少
。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法及系统，解决现有技术中槽内涉及宏观流动尺度与微观反应尺度，不同尺度之间耦合求解所需要的计算资源巨大，且已有求解方法有限，计算困难的问题
。
[0006]为解决上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法，其特征在于，步骤包括：
[0007]S1、
将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节；
[0008]S2、
获取多个环节的特征，根据多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取；
[0009]S3、
对多个环节的关键场进行耦合计算，完成基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真
。
[0010]优选地，步骤
S1
中，将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节，包括：
[0011]将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为：固液混合与悬浮过程
、
组分反应与扩散过程
、
固液流动下隔膜形变过程
、
矿石溶解粒径变化过程
、
离子迁移与沉积过程五个环节
。
[0012]优选地，步骤
S2
中，获取多个环节的特征，根据多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取，包括：
[0013]提取固液混合与悬浮过程的关键场，关键场包括：固液两相流场和浓度场；
[0014]提取组分反应与扩散过程的关键场，关键场包括：流场
、
浓度场以及组分场；
[0015]提取固液流动下隔膜形变过程的关键场，关键场包括：流场
、
浓度场以及应力应变场；
[0016]提取矿石溶解粒径变化过程的关键场，关键场包括：流场
、
浓度场；
[0017]提取离子迁移与沉积过程的关键场，关键场包括：电场
。
[0018]优选地，步骤
S3
中，对多个环节的关键场进行耦合计算，包括：
[0019]计算固液混合与悬浮过程中，固液两相流场和浓度场间的耦合；
[0020]计算组分反应与扩散过程中，流场
、
浓度场以及组分场间的耦合；
[0021]计算固液流动下隔膜形变过程中，流场
、
浓度场以及应力应变场间的耦合；
[0022]计算矿石溶解粒径变化过程中，流场
、
浓度场间的耦合；
[0023]计算离子迁移与沉积过程中，电场的耦合
。
[0024]优选地，计算固液混合与悬浮过程中，固液两相流场和浓度场间的耦合，包括：
[0025]建立搅拌桨
、
电极板
、
隔膜袋的结构模型，将电极板和隔膜袋均处理为挡板，采用多重坐标参考系的方式处理搅动中的网格问题；
[0026]采用压力基的稳态求解控制方程；
[0027]构建
Gidaspow
曳力模型，将颗粒处理为拟流体，结合颗粒粘度以及颗粒压力条件，残差收敛标准设置为
10
‑3；
[0028]获得不同区域的颗粒浓度场
、
速度场
、
速度矢量分布
、
功率消耗等信息，根据流动特性划分矿浆电解槽内区域，解析搅拌死区位置
。
[0029]优选地，计算组分反应与扩散过程中，流场
、
浓度场以及组分场间的耦合，包括：
[0030]将固液混合与悬浮过程中的求解控制方程的方式转换为瞬态；
[0031]时间步长设置为
0.001s
，保留流场，关闭浓度场，加入示踪剂，打开组分传输方程，对混合过程进行监测；
[0032]将示踪剂无量纲浓度达到
0.95
‑
1.05
之间对应的时间定义为混合时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法，其特征在于，方法步骤包括：
S1、
将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节；
S2、
获取所述多个环节的特征，根据所述多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取；
S3、
对所述多个环节的关键场进行耦合计算，完成基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤
S1
中，将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节，包括：将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为：固液混合与悬浮过程
、
组分反应与扩散过程
、
固液流动下隔膜形变过程
、
矿石溶解粒径变化过程
、
离子迁移与沉积过程五个环节
。3.
根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤
S2
中，获取所述多个环节的特征，根据所述多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取，包括：提取所述固液混合与悬浮过程的关键场，关键场包括：固液两相流场和浓度场；提取所述组分反应与扩散过程的关键场，关键场包括：流场
、
浓度场以及组分场；提取所述固液流动下隔膜形变过程的关键场，关键场包括：流场
、
浓度场以及应力应变场；提取所述矿石溶解粒径变化过程的关键场，关键场包括：流场
、
浓度场；提取所述离子迁移与沉积过程的关键场，关键场包括：电场
。4.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤
S3
中，对所述多个环节的关键场进行耦合计算，包括：计算所述固液混合与悬浮过程中，固液两相流场和浓度场间的耦合；计算所述组分反应与扩散过程中，流场
、
浓度场以及组分场间的耦合；计算所述固液流动下隔膜形变过程中，流场
、
浓度场以及应力应变场间的耦合；计算所述矿石溶解粒径变化过程中，流场
、
浓度场间的耦合；计算所述离子迁移与沉积过程中，电场的耦合
。5.
根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算所述固液混合与悬浮过程中，固液两相流场和浓度场间的耦合，包括：建立搅拌桨
、
电极板
、
隔膜袋的结构模型，将电极板和隔膜袋均处理为挡板，采用多重坐标参考系的方式处理搅动中的网格问题；采用压力基的稳态求解控制方程；构建
Gidaspow
曳力模型，将颗粒处理为...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵洪亮，卢婷婷，刘风琴，谢明壮，李荣斌，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：