礦石中的反應擴散與孔隙結構演化

《礦石中的反應擴散與孔隙結構演化》是依託東北大學，由姜元勇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：礦石中的反應擴散與孔隙結構演化
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：姜元勇
• 依託單位：東北大學

中文摘要

考慮到礦石中單個孔隙和礦物晶粒的性質是隨機的，但是含有足夠多孔隙和礦物晶粒的多孔介質微元體(REV)具有統計意義上的平均性和代表性，以多孔介質微元體為對象，研究礦物浸出的動力學過程。將礦物晶粒的溶浸反應、溶質在孔隙中的擴散遷移和孔隙結構演化三個過程耦合起來，作為一個整體進行研究，提出可供實驗檢驗的巨觀模型；給出描述孔隙結構的方法，研究反應誘發的孔隙結構演化規律；提出巨觀實驗原理，設計相應的實驗檢驗巨觀理論模型，並測定模型中的參數。考慮到礦石中往往多種礦物共生，研究礦物浸出過程中多個流體組分擴散傳質過程的相互干擾，提出直接測定流體組分在多孔介質中遷移的有效自擴散係數和互動擴散係數的實驗方法。研究溶浸動力學參數反演問題的有效、實用的分析計算方法，為溶浸採礦提供理論指導和技術支持。

結題摘要

考慮到多孔介質中的反應擴散與孔隙結構演化是眾多基本自然現象和重要人工工程活動的基本過程，本項目以原生礦物的溶浸采出和礦物球團的高爐冶煉為背景，研究了礦石中的反應擴散與孔隙結構演化。本研究將流體力學和化學，兩門經典的學科結合起來，屬於典型的交叉學科研究。項目中所涉及的流體力學問題屬於多孔介質流體動力學的研究範疇；涉及的化學反應屬於非均相非催化流固反應。本項目屬於偏重於基礎理論研究的套用理論研究課題。首先，在理論方面，通過運用物理化學流體動力學、多孔介質流體動力學、巨觀反應動力學的相關知識，基於質量守恆、動量守恆和能量守恆，建立了一維情況下，描述多孔介質中反應擴散與孔隙結構演化的數學模型，並給出了定解條件。鑒於此數學模型包含了非經典的連續性方程、非線性的化學動力學方程和非線性的積分方程，解析解無法獲得；同時，現有的商業軟體也無法對其進行有效的數值求解。我們將計算傳熱學的相關知識引入項目的研究之中，通過使用和改進控制容積方法，對所建立的數學模型進行數值求解。微分方程離散成代數方程組和編寫算法求解代數方程組的過程，全部通過手工實現。因此，本項目中所建立的理論模型和數值求解都是本項目的創新之處。這些模型和數值求解方法為進一步深入研究多孔介質中的反應流體傳遞問題，奠定了理論基礎。其次，在試驗方面，借鑑石油工程領域內的相關經驗，採用自行設計委託加工的模具，製作了不同規格的多孔試件。使用自行研發的“多孔介質微觀參數測試裝置”進行了礦物溶浸試驗，利用微分方程反問題的數值解析方法，獲得了相關的微觀參數，包括有效孔擴散係數、邊界層傳質係數、界面化學反應速率常數等。試驗裝置的研發基於最基礎的浮重理論，微觀參數的獲得，基於微分方程的數值反演理論。因此，試驗系統和反演方法也是本項目的創新點。這套試驗系統和設計實驗的思想方法為研究相關或類似問題，奠定了實驗基礎。