稀土串级萃取分离过程的数学模型和计算机仿真
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［(］ 自 -" 年代 起就作过多方面的探索和研究。." 年
及其进展
［, ］
的指导下，我国的稀土溶剂萃取
分离技术已经达到了国际 领先水平，稀土分离工 业的规模和产品产量也已雄 据世界之首。然而我 国稀土分离产品的收率和产品质量的稳定性与国 际先进水平还有差距，其源是在于稀土 工业的装 备水平和分离过程的控制水平还比 较低。于此应 该大力研究和发展稀土串级萃取分离过程的自动 控制系统
合澄 清 器 串 级 萃 取 稀 土 分 离 过 程 的 数 学 模
［’, / ’.］ 型 。
验动态平衡的计算结果与实 验值十分接近，因而 “可用于设计、验证新工艺，也可用于对现有工艺 的改进。” 工业生产的实践也表明，使用该数学模 型进行的计算机仿真实验计算得出的平衡下水相 和有机相的稀土组份级样分布与实际情况吻合得 很好； 但是仿真实验计算得出的非平衡态下串级萃 取过 程的 动态 响 应则 与实 际情 况有 比较 大 的差
第 !" 卷 123 ) !"
专辑 4567 ) 899:6
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全模拟 “分液漏 斗法” 的 串级萃取实验，而工业生 产是使用多级混合澄清槽进行稀土的串级萃取分 离的。 “分液漏斗法” 和多级混合 澄清槽进行串级 萃取实验的萃取平衡和物料平衡的机理是完全相 同的，而多级混合澄清槽级与级之间的物料 传输
修订日期：!""! + "# + ’( ! 收稿日期：!""! + ". + "!； 作者简介：王振华（’#$- + ） ， 男，上海人， 教授级高工 # 通讯联系人（ BFGHI 3：JKLHMN O 5:P3I7) 9E H) M6E ) 7M）
专辑
王振等
稀土串级萃取分离过程的数学模型和计算机仿真
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稀 土 串 级 萃 取 分 离 过 程 的 数 学 模 型 和 计 算 机 仿 真
!
王振华
（上海跃龙有色金属有限公司，上海 !""#$#）
摘要： 比较了模拟 “分液漏斗法” 串级萃取实验的仿真实验、 模拟混合澄清器串级萃取过程的仿真实验和工业上混合澄清器串级萃取稀土分组 过程中阶跃扰动实验这三个实验的结果。表明， 后两个实验的结果比较接近。
［ "］ 徐光宪 # 串级萃取理论 ! ， 最 优化方程及其 应用［ $］ #北京
油体系中的萃取平衡数学模 型 ［$ ］ # 中 国稀土学报，"%’*，" （ !） ： *! # ［%］ 张卫星，李 涵# 多元稀 土萃取体系中单 级分配模型的 研
究［$］ （ *） ： # 稀土，"%’&， "# ［ "L］ M1 @N2， D0<2 O01/07N2，O0. $1NP7 # B :.=1 Q1<= :N80<6N81/NI
［-］ 异 。 造成这 种情况的原因在于该数学 模型是完
我们在分析计算机闭环控制串级萃取稀土分 组过程的有关实验结果的基础上结合徐光宪先生 的串级萃取理论曾提出了模拟混合澄清器萃取动
［-］ 态过程的数学模型 。为了检验该模型 与稀土分
离工业实际的符合程度，特别是在萃 取过程动态 响应上的符合程度，我们进行了比较实验。进行比 较的有三方，一方是 ,( 级 ’" 0 混合澄清器分馏萃 取稀土分组的工业试验，第二方是基于 “分液漏斗 法” 数学模型而工艺条件与工业试验完全相同的计 算机仿真实验，第三方则是基于我们 的混合澄清 器萃取过程数学模型而工艺条件与工业试验完全 相同的计算机仿真实验。
关键词： 稀土；串级萃取； 混合澄 清器； 数学模型；仿真 中图分类号： %&’$() $ 文献标识码：* 文章编号： （!""!） ’""" + $,$, + "’,! + "$
!" 多 年 来，在 徐 光 宪 先 生 的 串 级 萃 取 理 论
［’，!］
Hale Waihona Puke 过程与分液漏斗间两相物料转移操作过程有着较 大的差异，因此两种方法的串级萃取的动态 过程 有差异。 要 实施稀土串级萃取分离工业生产过 程 的自动控制，必须要详尽了解多级混合澄清槽 稀 土萃取分离的动态过程，而不 是 “分液 漏斗法” 串 级萃取的 动态过程，于是问题的关键是建立模拟 混合澄清槽串级萃取过程的数学模型。 关于稀土 溶剂萃取的数学 模型，国内外学者
串级萃取稀土分组过程在萃取量阶跃扰动下 的开环响应 萃取量从 ! , +- )( 阶跃增加到 ! , + - #) 后串
级萃取器第十八级和第二十级澄清水相稀土组份 的开环响应，见图 ! 和图 (。 图示的实验结果表明， “分液漏斗法” 仿真实验结果与工业试验结果的差 异较大，而模拟混合澄清器的仿真实 验结果则与 工业 试验结果 相接近。图 # 是 萃取量阶 跃 （增加 扰动下 “分液漏斗法” 第三十六级萃取器有机 "#$ ） 相中稀土组份的开环响应。它表明在 萃取量增加 "#$ 以后经过 )+ 排的时间，有机相出口液中、重 稀土 （易萃组份） 产品的纯 度开始下降，而与此对 应的工业试验的 *+ 多个小时中，中、重稀土的纯 度一直在 ..$ 以上，模拟混合澄清器的仿真实验 第 *) 级萃取器的开环响应也未见中、重稀土产品 的纯度下降，这是由于混合澄清器响 应速度慢的 缘故。 图 / 0 # 中，" 排约相当于 ( 123。
!
结
论
镝在 H 9DI* ,@DI,@! J,K!L+ , 煤
完全模拟 “分液漏斗法” 串级萃取实验的数学 模型对稀土工业生产中大量使用的混合澄清器来 说是一个静态模型，仿真实验计算结 果与工业生 产实验值十分接近，但动态行为， 两者有较大的差 异。而模混合澄清器串级萃取动态过 程的数学模 型是混合澄清 器串级萃取的 一个近似动态 模型， 其仿真实验动态过程的计算结果与工业生产实验 值比较接近。以此模型进行仿真实验对 于了解混 合澄清器串级萃取的动态过程进而实施过程的自 动控制是有益的。 参考文献：
［$］
。
为了实施稀土串级萃取分离过程的自动控制， 必须获取该过程的详尽信息。徐光宪、 李标国和严 纯华发展的串级萃取理论提供了与实验符合程度 相当高的完全模拟 “分液漏斗法” 串级萃取实验操
［,］ 作的数学模型 。使用该模型进行的串 级萃取实
代起， 相当多的工作集中于酸性磷类 萃取剂体系
［. / #］ 稀土萃取平衡模型的建立 和逆流萃取稀土分 ［’" / ’!］ 离的逐级计算模型 ，国外则还有模拟多级混
图)
进料量阶跃 （增加 *+$ ） 扰动下 “分液漏 斗法” 仿真实 验第一级萃取 器水相中稀土组份的开环响应
过程计算机仿真实验中第一级萃取器的开环响应 也未见轻稀土产品纯度的下 降，这是 由于混合澄 清器响应速度慢的缘故。 !" #
图! 萃取量阶 跃 （增 加 "#$ ） 扰动下，第十八 级萃取器 澄 清水相稀土组份的开环响应 （%）混合澄清器串级萃取稀土 分组工 业试验； （& ）模 拟 “分液漏斗法” 串级萃取计算机仿真 实验； （’）模 拟 混合澄清器串级萃取计算机仿真实验
图6 进料量阶跃 （增加 6" 5 ） 扰动下，第十八 级萃取器澄 清水相稀土组份的开 环响应 （ 2） 混合澄清器串级萃取 稀土分 组工业 试验 ； （8） 模 拟 “分液漏斗法” 串级萃 取计算机仿 真实验； （ 9） 模拟 混合澄清器串级萃取 计算机仿真实验
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萃取量阶 跃 （增 加 "#$ ） 扰动下，第二十 级萃取器 澄 清水相稀土组份的开环响应 （%）混合澄清器串级萃取稀土 分组工 业试验； （& ）模 拟 “分液漏斗法” 串级萃取计算机仿真 实验； （’）模 拟 混合澄清器串级萃取计算机仿真实验 图# 萃取量阶跃 （增加 "#$ ） 扰 动下， “ 分液漏 斗法” 仿真 实验第三十六级萃 取器有 机相中 稀土组 份的 开环响 应
专辑
王振等
稀土串级萃取分离过程的数学模型和计算机仿真
［ $］ # 稀土金属， "%&%， （*） ： "( # ［ ’］ 黄文梅， 雅文厚，沈韵 玉， 等#
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萃取器第 !- 级和第 !7 级澄清室水相稀土组份的 开环响应如图 $ 和图 6 所示。图中 （ 2） 是混合澄清 器串级萃取稀土分组的工业试验结果，图 （8） 是模 拟 “分液漏斗法” 串级萃取实验的计算机仿真实验 结果， 图 （9 ） 是模拟混合澄清器串级萃取过程的计 算机仿真实验结果。由图可见模拟 “分液漏斗法” 串级萃取实验的计算机仿真实验所得到进料量阶 跃扰动下的各级萃取器水相稀土组份的开环响应 与工业试验中混合澄清器各级萃取器澄清室水相 的稀土组份在进料量扰动下的开环响应有很大的 差异， 前者的响应速度要比后者快得多。而模拟混 合澄清器串 级萃取过程的计 算机仿真实验 结果， 则与工业试验的结果比较吻合。 图 - 是模拟分液漏 斗法” 串级萃取实验的计算机仿真实验第一级萃取 器水相中稀土组份的开环 响应。它 表明在进料量 增加 6"5 以后经过 :" 排的时间，水相出口液轻稀 土 （难萃组份） 产品的 纯度开始下降，而工业试验
图$
进料量阶跃 （增加 6"5 ） 扰动下， 第 十六级萃取器澄 清水相稀土组份的开环响应
图!
工业试验的 工艺流程
（ 2） 混合澄清器串级萃取稀 土分组 工业试验 ； （8 ） 模 拟 “分液漏斗 法” 串级 萃取 计算 机仿 真 实验； （ 9） 模 拟混合澄清器串级萃取计算机仿真实验
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串级萃取稀土分组过程在进料量阶跃扰动下 的开环响应 进料量从 ! 3 ! 阶跃增加到 ! 3 !, 6 后，串级
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实
验
中进料量增加以后的 $" 多个小时中，轻稀土产品 的纯度一直在 ;;5 以上， 模拟混合澄清器串级萃取
工业试验的工艺流程如图 ! 所示。 混合室体积 !" #， 澄清室体积 $" # 物料在混合室的停留时间 % & ’ ()*，进料液 + 是离子吸附型稀土矿盐酸优溶 后的浸出液，稀土浓度 ! , - (./ # 0 !。12 是料液中 易萃组份的含量。工业试验进行的 是轻稀土与中 重稀土的分离。正常情况下归一化的 工艺参数是 进料量 ! 3 ! ，萃取量 " 3 " , -’， 洗涤量 # 3 " 0 ! 4 ，混合澄清器萃取分离稀土的工作点 （其水相中 易萃组份的含量为 ’"5 ） 在第 $" 级，以此作为测 试混合澄清器开环响应试 验的初始态。仿真实验 的各项条件与工业试验相同。
及其进展
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的指导下，我国的稀土溶剂萃取
分离技术已经达到了国际 领先水平，稀土分离工 业的规模和产品产量也已雄 据世界之首。然而我 国稀土分离产品的收率和产品质量的稳定性与国 际先进水平还有差距，其源是在于稀土 工业的装 备水平和分离过程的控制水平还比 较低。于此应 该大力研究和发展稀土串级萃取分离过程的自动 控制系统
合澄 清 器 串 级 萃 取 稀 土 分 离 过 程 的 数 学 模
［’, / ’.］ 型 。
验动态平衡的计算结果与实 验值十分接近，因而 “可用于设计、验证新工艺，也可用于对现有工艺 的改进。” 工业生产的实践也表明，使用该数学模 型进行的计算机仿真实验计算得出的平衡下水相 和有机相的稀土组份级样分布与实际情况吻合得 很好； 但是仿真实验计算得出的非平衡态下串级萃 取过 程的 动态 响 应则 与实 际情 况有 比较 大 的差
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全模拟 “分液漏 斗法” 的 串级萃取实验，而工业生 产是使用多级混合澄清槽进行稀土的串级萃取分 离的。 “分液漏斗法” 和多级混合 澄清槽进行串级 萃取实验的萃取平衡和物料平衡的机理是完全相 同的，而多级混合澄清槽级与级之间的物料 传输
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稀 土 串 级 萃 取 分 离 过 程 的 数 学 模 型 和 计 算 机 仿 真
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摘要： 比较了模拟 “分液漏斗法” 串级萃取实验的仿真实验、 模拟混合澄清器串级萃取过程的仿真实验和工业上混合澄清器串级萃取稀土分组 过程中阶跃扰动实验这三个实验的结果。表明， 后两个实验的结果比较接近。
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我们在分析计算机闭环控制串级萃取稀土分 组过程的有关实验结果的基础上结合徐光宪先生 的串级萃取理论曾提出了模拟混合澄清器萃取动
［-］ 态过程的数学模型 。为了检验该模型 与稀土分
离工业实际的符合程度，特别是在萃 取过程动态 响应上的符合程度，我们进行了比较实验。进行比 较的有三方，一方是 ,( 级 ’" 0 混合澄清器分馏萃 取稀土分组的工业试验，第二方是基于 “分液漏斗 法” 数学模型而工艺条件与工业试验完全相同的计 算机仿真实验，第三方则是基于我们 的混合澄清 器萃取过程数学模型而工艺条件与工业试验完全 相同的计算机仿真实验。
关键词： 稀土；串级萃取； 混合澄 清器； 数学模型；仿真 中图分类号： %&’$() $ 文献标识码：* 文章编号： （!""!） ’""" + $,$, + "’,! + "$
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串级萃取稀土分组过程在萃取量阶跃扰动下 的开环响应 萃取量从 ! , +- )( 阶跃增加到 ! , + - #) 后串
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为了实施稀土串级萃取分离过程的自动控制， 必须获取该过程的详尽信息。徐光宪、 李标国和严 纯华发展的串级萃取理论提供了与实验符合程度 相当高的完全模拟 “分液漏斗法” 串级萃取实验操
［,］ 作的数学模型 。使用该模型进行的串 级萃取实
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进料量阶跃 （增加 *+$ ） 扰动下 “分液漏 斗法” 仿真实 验第一级萃取 器水相中稀土组份的开环响应
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图! 萃取量阶 跃 （增 加 "#$ ） 扰动下，第十八 级萃取器 澄 清水相稀土组份的开环响应 （%）混合澄清器串级萃取稀土 分组工 业试验； （& ）模 拟 “分液漏斗法” 串级萃取计算机仿真 实验； （’）模 拟 混合澄清器串级萃取计算机仿真实验
图6 进料量阶跃 （增加 6" 5 ） 扰动下，第十八 级萃取器澄 清水相稀土组份的开 环响应 （ 2） 混合澄清器串级萃取 稀土分 组工业 试验 ； （8） 模 拟 “分液漏斗法” 串级萃 取计算机仿 真实验； （ 9） 模拟 混合澄清器串级萃取 计算机仿真实验
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稀土串级萃取分离过程的数学模型和计算机仿真
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进料量阶跃 （增加 6"5 ） 扰动下， 第 十六级萃取器澄 清水相稀土组份的开环响应
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工业试验的 工艺流程
（ 2） 混合澄清器串级萃取稀 土分组 工业试验 ； （8 ） 模 拟 “分液漏斗 法” 串级 萃取 计算 机仿 真 实验； （ 9） 模 拟混合澄清器串级萃取计算机仿真实验
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串级萃取稀土分组过程在进料量阶跃扰动下 的开环响应 进料量从 ! 3 ! 阶跃增加到 ! 3 !, 6 后，串级
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工业试验的工艺流程如图 ! 所示。 混合室体积 !" #， 澄清室体积 $" # 物料在混合室的停留时间 % & ’ ()*，进料液 + 是离子吸附型稀土矿盐酸优溶 后的浸出液，稀土浓度 ! , - (./ # 0 !。12 是料液中 易萃组份的含量。工业试验进行的 是轻稀土与中 重稀土的分离。正常情况下归一化的 工艺参数是 进料量 ! 3 ! ，萃取量 " 3 " , -’， 洗涤量 # 3 " 0 ! 4 ，混合澄清器萃取分离稀土的工作点 （其水相中 易萃组份的含量为 ’"5 ） 在第 $" 级，以此作为测 试混合澄清器开环响应试 验的初始态。仿真实验 的各项条件与工业试验相同。