全流程工艺计算模拟软件METSIM在湿法冶金设计中的应用实践

丁淑荣

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

冶金计算作为冶金工艺设计的前期工作，在整个冶金项目工程设计中起着基石的作用。METSIM软件是一款全流程冶金工艺计算模拟软件，在国际有色冶金行业得到普遍应用，至今已经有三十多年的应用历史[1-4]。国内最早于2005年前后引进该软件，但限于几家主要的设计单位使用，在整个有色冶金行业的应用并不普遍。本文基于应用体会，探讨了全流程冶金工艺计算的必要性、METSIM软件在冶金设计中的应用原则及一些注意事项。

1 全流程冶金工艺计算的必要性

冶金计算包括物料平衡计算和热量平衡计算，是冶金工艺设计的基础工作，是整个冶金项目工程设计的重要环节。图1按工作顺序关系示出了冶金工程项目的前期工程设计阶段的一般工作流程。由图可见，冶金计算的主要作用是为冶金设备设计、管道设计、设备及管道材料选择、辅助工程的设计提供详细的设计输入信息。

图1 冶金工程一般设计工作流程

目前常用的冶金计算方法是手工计算，通常是将整个冶金工艺流程分割成若干个工序，再逐个计算。这种方法的显著特点是，仅针对流程中的主要物流或工序，计算质量平衡和热量平衡，注重的是主要物流、主要元素或组分在全系统中的总体平衡。然而对这些主要物流在整个工艺过程中的详细行为，以及一些次要的物流及其所含元素或组分则不做详细计算。对于工艺流程较短、相对简单的冶金流程，采用该计算方法可以简便有效地获得计算结果，能够满足下一步工艺设计的要求。

随着环境保护和节水节能要求越来越严格，项目实施前的环境评价、用能评价等评审环节对项目能否实施的影响也越来越大。冶金项目特别是湿法冶炼，废气废渣废水等三废的排放以及用水用能指标等有着严格的限制要求。因此，原料中的所有元素特别是有害元素在整个冶金工艺流程中的走向和分布情况必须详细地进行说明，针对整个项目的水平衡也需要有详细的数据。因此，对冶金计算提出了全物流、全组分、全元素的计算要求，以系统地掌握整个冶金过程中所有元素的走向分布。

湿法工艺流程中通常涉及高温、高压、强腐蚀性介质，对设备及管道的材质要求较为严苛。全面充分的工况介质条件数据是设备材质选型的基础信息，是保证设备的使用寿命及生产安全的关键因素。因此设备管道的材质选型也对冶金计算提出了全组分、全元素、全物流的计算要求。

另一方面，随着高品位精矿矿物资源逐渐枯竭，难冶炼矿、低品位矿逐渐成为冶金工厂的原料，同时也对矿物原料中的有价元素提出了更高的综合回收要求。新建冶金项目的工艺流程趋向于复杂，而针对现有冶金工艺装置进行技术改造的难度也显著加大。因此，一些冶金项目将具有工艺复杂、流程长、中间物料循环数量多、工艺控制点数量增加的特点，显著增加了冶金计算的难度。虽然可以利用一些计算机软件如Excel等进行辅助计算，但是仍然需要手工输入大量计算条件、调节大量参数、计算结果难以达到平衡,且计算过程难以追溯，导致整个工艺流程的冶金计算过程繁琐、工作量大。

综上所述，采用一种高效可靠的全流程冶金计算方法是现代湿法冶炼工艺设计的必然要求。

2 METSIM软件简介

2.1 简介

METSIM软件由美国公司开发，是针对有色金属冶炼开发的全流程工艺计算模拟软件。该软件以单元模块为基本操作对象，对冶金工艺中的工艺过程或设备进行模拟，在单元模块之间以代表物料信息的物料线相连接，表示物料从某一工艺过程流向另一工艺过程。单元模块是软件开发者预先定义好的模拟某个工艺过程的组件，使用者在建立模型时只需要在单元模块中输入必要的设计信息。连接各单元模块的物料线则包含了该物料的一系列完整信息，包括流量、温度、压力、物相成分等数据。通过几个甚至几十上百个单元模块和连接它们的物流线就可以将整个冶金工艺流程模拟出来。通过对具体的单元模块以及物料线赋予设计和控制参数，在经模型运算后，可以得到在该设计状态下整个流程的模拟结果，即各物料线均对应一定的工艺数据，代表在该设计参数下工艺系统稳定运行后的状态。因此该软件最大的特点是针对整个工艺流程进行全面的工艺模拟，获得全部物流的物理特性、全组分、全元素数据信息。

METSIM软件的模拟计算工作流程如图2所示，由若干个单元模块组成整个工艺流程，而计算结果则体现在每一个物流线上。

图2 METSIM软件的模拟计算工作流程图

2.2 软件界面

METSIM软件界面如图3所示，由菜单栏区域、工具栏区域、单元模块区域以及绘图区域组成。

图3 METSIM软件界面

图4示出了一个典型的METSIM工艺模型的页面，包含一个浸出工序、以及浓密分离工序和相应的输送设施(泵)，代表物料的物流线上用编号进行区分。

图4 METSIM工艺模型页面示例

图5示出了图4所示的工艺模型在完成运算后，输出的计算结果，包括流量、固体浓度、温度、固体成分、溶液的成分等信息。建模者可根据自己的需要设定输出的数据项。

图5 METSIM模型计算结果

3 METSIM在冶金工艺设计中的应用实践及体会

3.1 工艺设计及优化

利用METSIM建立工艺计算模型，可以提高设计质量、加快设计进度。在受工期进度要求而提前开展前期的设计工作时，可根据经验及类似工程项目，假定合理设计条件，采用METSIM模型建立工艺计算软件进行初步的工艺计算。随着项目的深入获得详细数据后，可直接对模型进行调整，迅速得到工艺计算结果，加快设计进度。值得注意的是，在这种情况下，应在建立工艺模型的同时建立详细的工艺设计参数表，以便于对工艺计算过程进行调整和追溯。

在进行工程设计的前期阶段，经常需要对不同的工艺方案进行比较从而选择最优方案。采用METSIM软件建立工艺模型进行计算是进行工艺技术比对的有效途径，可以直观地对不同方案之间的差异进行比较，进而判断优劣。图6和图7分别示出了采用搅拌浸出- 萃取- 电积工艺处理某氧化铜矿生产阴极铜的两种工艺方案。通过建立METSIM工艺模型，可以很便捷地比较出两种工艺方案的主要差异及优缺点。主要比较结果如表1所示。

图6 氧化铜矿酸性浸出- CCD洗涤- 萃取- 电积工艺流程简图

由表1可见，方案一与方案二比较，方案一铜回收率高0.31%，但其硫酸消耗增加11.6 kg/t矿、石灰石消耗增加15.3 kg/t矿。结合项目实际情况综合比较之下，方案二较优。

表1 氧化铜矿两种工艺方案的技术经济指标对比

在工程设计过程中，根据试验数据进行设计优化是比较普遍的。通常是基于可靠的试验或经验数据，在已有的工艺模型上进行修改，可以便捷快速地观察到整个工艺系统的变化情况，从而确定最佳设计工艺参数，对工艺方案进行优化。在图7所示的工艺方案中，浓密机底流浓度经试验验证可由40%提高至45%，表2简略列出了底流浓度变化对工艺的影响情况。由表中数据可见，底流浓度提高后，CCD洗涤效率可大幅提高，铜的总回收率可以提高1.28%，因此在工程设计中应通过相应设计以保证底流浓度。

图7 氧化铜矿酸性浸出- 分离浓密- CCD洗涤- 高低铜萃取- 电积工艺流程简图

表2 CCD浓度变化对工艺的影响

3.2 应用体会

(1)对工艺要有深刻理解

利用METSIM软件建立工艺模型，其关键之处有二，一是对工艺流程必须要有深刻的理解，二是对关键工序或单元操作的化学反应原理要理解正确。由于该软件是基于流程建模，因此在建模时各个工序之间的逻辑关系，物料走向必须完全正确，否则获得的结果将完全没有价值。因此要求建模者对工艺过程有深刻的认识，理解哪些工艺步骤可以合并为一个单元操作，哪些工艺步骤可以简化，哪些工艺步骤可以通过组合几个基本的单元操作来实现。

(2)对单元操作要有深刻认识

该软件内置了大量的单元操作模块如搅拌槽、高压釜、闪蒸槽、换热器、萃取箱、电积槽等，建模者在使用这些模块时必须对该模块有深刻的认识，理解其各种参数的含义、适用条件等，不能生搬硬套。

(3)模型的收敛性问题

Metsim软件建模的一个最显著优势就是可以体现全流程的物料走向，获知全元素的平衡情况。然而在建立流程较长、内部循环物料较多的情况下，建立的模型在运行计算后难以达到平衡，或者控制的变量难以达到设定值，此即模型的收敛性问题。针对这些情况，笔者的一些经验体会简述如下：

检查流程中的某个工序是否出现闭路的情况，即有些元素没有开路，始终在工序内部循环。

尽量减少循环物料：对于某个工序的内部循环物料，在整体模型达到平衡后再补充，如在模型需要修正时，可以暂时不运行这些内部循环的操作单元。当多种循环物料去向同一处工序时，将这些物料合并成一个物料再进入该工序。

选用合适的操作单元：例如在同样的条件下，使用分配器SUB比使用SPS更有效，能更快地使计算达到平衡。

尽量少用控制：大量使用控制会对模型的收敛造成严重影响，因为每一次调整变量都需要对整个模型包含的物流运算一次。对于需要精确控制的物料，可以先试算出大概用量，在模型运行接近平衡后再补充控制功能。

总之，该软件在使用时有一定的应用技巧，建模者可以在使用过程中慢慢发现问题并积累经验，提高建模的工作效率和工艺模型的准确性。

4 结论

METSIM软件是一款优秀的全流程工艺模拟计算软件，在国外有色工程设计领域普遍应用并享有较高的知名度、认可度。使用该软件计算的工艺，其建模过程直观、高效、可追溯，其模拟运算结果可靠、全面、系统。在设计阶段采用该软件进行全流程的工艺建模计算，可以快速高效地获得高质量、全面的工艺计算结果，对各元素特别是有害元素在各物料中的走向进行精确地跟踪并进行控制，同时精确的体积平衡计算结果为业主提供了精细化操作的数据基础，有利于提高整个工厂的运行管理水平、提高工厂的各项技术经济指标。因此，笔者建议我国的有色冶炼行业从业者特别是工艺设计者应提高对全流程工艺计算理念的认识，推动全流程工艺计算模拟软件在设计阶段的应用。