湿法冶金萃取组分含量混合建模方法的分析

2014-02-03鲁艳梅昆明冶金研究院云南省冶金研究设计院云南昆明650031

化工管理 2014年8期

关键词：水相湿法分离器

鲁艳梅（昆明冶金研究院（云南省冶金研究设计院）云南昆明 650031）

萃取技术具有成本低、能耗低、效益好、操作简单等优点，是湿法冶金的重要工艺环节。但是，萃取过程中，无法对组分含量进行在线测量，这使得萃取分离工作往往带有一定的不确定性。因此，尽快构建一个能提供在线监测的软测量模式是当前急需解决的问题。

一、动态混合模型

在多元素的萃取分离过程中，采用单级的萃取无法达到显著的分离效果，必须将若干个萃取分离器紧密结合起来，形成一个多级的萃取分离，让被萃物质经过多次的水相和有机相的接触，从而达到预期分离效果。

动态混合模型能检测出组分的浓度与时间的关系，这对实现萃取过程的最优控制具有重要意义。萃取过程就是被萃组分由水相进入有机相的过程，而混合澄清器的每一级都可以看成是理想澄清室与理想混合室的组合，如图1所示。

图1 单级混合澄清器结构

这是理想状态下的动态混合模型，假定传质只在理想混合室中进行，萃取过程中的水相和有机相体积不变。利用物料衡算关系，我们可以运用如下公式模型来定义第i级（i=1、2、3、……N，N表示的是该动态混合模型的级数）萃取分离过程：

式中：Xi表示第i级的水相被萃取组分的浓度，yi表示第i级的有机相被萃组分浓度。从第i-1级萃取分离器中流出的水相溶液在进入到第i级的理想混合室中之前需要在澄清室中滞留一段时间，所以说，澄清室的溶液有一个滞留的时间。同样，有机相溶液也是这个道理，需要先在混合室中滞留一段时间。现假设i=1，也就是在第一级萃取分离器中，属于进料器，可以用如下的方程来表示其状态：

当i=N，也就是萃取溶液处于最后一个萃取分离器中时，有如下状态方程：

式中的y0表示的是有机相中被萃取组分的浓度，一般取值为0。而从第i级理想混合室中流出的有机相与水相被萃组分平衡浓度关系为：yi=DiXi，其中，Di表示的是第i级的分配比，将这个公式与第N级出料时的状态微分方程联合起来就可以得出如下混合器萃取过程中的动态监测模型：

从这个模型中可以看出，其是伴随着多级混合器的多级萃取分离过程而建立起来的，从上一个萃取分离器进入到下一个萃取分离器中，总是需要一定的时间来接近或达到萃取水相和有机相的平衡。上述模型中的分配比Di无法实现在线监测，其他的参数都可以实现在线测量，那么要实现真正意义上的在线测量萃取组分含量，那么就必须解决Di的在线测量问题，而其与萃取溶剂的起始浓度、PH值、温度等有关，接下来就采用核函数的非线性PLS技术来进行分配比的回归建模。

二、核函数非线性PLS技术

分配比的大小与温度、萃取溶液浓度、PH值、常数K等有关，虽然说无法为分配比建立一个理想的模型，但是在工业生产中，萃取溶液以及稀释剂等都是固定的，所以说起对分配比的影响基本是固定不变的，而萃取常数K也是固定的，故而也可以忽略其对分配比的影响，这样就可以建立起一个分配比、萃取剂浓度、料液PH值和温度的非线性函数，我们利用核函数非线性PLS回归得到分配比的非线性函数：Di=f（PHi,Ti,M）+ε，其中，Ti表示第i级的温度，PHi表示第i级的料液PH值，M表示的是萃取剂的起始浓度，ε表示的是其他不确定性或未知因素对分配比的影响。在这个非线性函数中，实验中获得的样本数目少，而萃取过程中还会存在噪声等对分配比的影响，这些都是建立分配比模型需要解决的重点问题，对此，我们采用核函数的PLS回归技术来解决这些问题，通过PLS回归保证函数的非线性，同时又使得模型拟合的结果更加精确。

得到分配比非线性函数后，将分配比的估计值代入到前文提出的动态混合模型中，这样就可以得出萃取组分含量的混合模型了，实现对湿法冶金萃取组分含量的在线监测，计算出第i级萃取分离器中的水相和有机相的百分比含量。

三、混合模型结构以及应用效果分析

从前文中的混合模型建模过程可以看出，这个混合模型是分配比模型与动态机理模型的结合体，是一种软测量混合模型，先借助分配比模型得出分配比，然后代入到动态机理模型中得出组分含量。如图2所示就是这个动态混合模型的建模过程。

图2 动态混合模型建模过程

为验证该动态混合模型的在线测量效果，在某湿法冶金厂进行了分离某料液中较高浓度的铜试验，每过10m in就进行一次测量，每天对萃取液进行一次离线化验测量，分析其中的铜含量。最后，运用MATLAB对前文的动态混合模型进行了仿真，结果如图3所示，可以明显看出，动态混合模型得出的组分含量结果与离线分析结果差别不大，说明该动态混合模型是可行的，可以在工业生产中大力推广。