稀土钙皂化流程仿真及参数优化研究_邵留宝.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期稀土钙皂化流程仿真及参数优化研究邵留宝唐焱梁冰梁才航(桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林 541004)摘要钙皂化是稀土提取过程的重要工艺，而实际工艺生产缺少对其反应机理模型的研究，影响生产质量及效率的提升。考虑钙皂化搅拌釜结构、工艺参数的情况下，构建了钙皂化反应机理模型，实现了对钙皂化生产流程的实时仿真分析。进一步，以提升皂化度、减少皂化时间和功耗为多目标，以搅拌桨类型、搅拌转速、搅拌桨位置和进料位置为设计参数，通过正交实验优化方法优化钙皂化过程，得到优化设计参数数值。与初始状态相比，优化后皂化度提升了 1.8%，皂化时间、功耗分别下降了 2.9%、15.2%。皂化度、皂化时间、功耗仿真结果与实验数据差值分别为 4.96%、6.00%、5.96%，验证了仿真分析的有效性。所建钙皂化反应机理模型准确预测了钙皂化反应过程，其参数优化方法有利于生产质量及效率的提升，为钙皂化工艺过程的数字化设计提供了参考。关键词稀土工艺钙皂化正交试验仿真中图法分类号TF111 3文献标识码ADoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.012Simulation and Parameter Optimization of Rare EarthCalcium Saponification ProcessShao LiubaoTang YanLiang BingLiang Caihang(College of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004)ABSTRACTCalcium saponification is an important process in the extraction process of rare earths，but theactual process production lacks research on its reaction mechanism model，which affects the improvement ofproduction quality and efficiencyTaking into account the structural process parameters of the calciumsaponification stirred tank，a calcium saponification reaction mechanism model was constructed，and real-timesimulation analysis of the calcium saponification production process was realizedFurthermore，the calciumsaponification process is optimized by the orthogonal experiment optimization method to obtain the optimized designparameter values，the multi-objective of the optimization method is to improve the saponification degree，reduce thesaponification time and power consumption，and the design parameters are the type of stirring blade，the stirringspeed，the position of the stirring blade and the feeding position Compared with the initial state，the optimizedsaponification degree increases by 1.8%，and the saponification time and power consumption decrease by 2.9%and 15.2%respectivelyThe difference between the saponification degree，saponification time，and powerconsumption simulation results and experimental data are 4.96%，6.00%，and 5.96%，respectively，whichverifies the validity of the simulation analysisThe built calcium saponification reaction mechanism modelaccurately predicts the calcium saponification reaction process，and its parameter optimization method is benefit toimprove the production quality and efficiency，it provides a reference for the digital design of the calciumsaponification processKEYWORDSRare earth processCalcium saponificationOrthogonal experimentSimulation55基金项目:国家自然科学基金地区科学基金项目(51566002)作者简介:邵留宝，男，1996 年生，硕士研究生，主要研究方向:稀土钙皂化自动化及配套技术研究，邮箱:1461019056 qq com通信作者:唐焱，邮箱:2283640182 qq com1前言稀土金属是现代制造领域不可取代的战略资源。随着全球科技的持续进步，电子、冶金、军工等领域对稀土金属产量和品质需求急剧增长，加速了生产装备迭代更新速度，推动我国稀土装备自动化、智能化升级已成业内重要问题1。湿法冶金术是各类稀土矿前期处理的主要方法，其中钙皂化是最重要的工序之一，钙皂化质量对稀土的产出有较大影响。近年来，国内外学者对于湿法冶金仿真、优化进行了大量研究，何泳辉2 开发了一款基于网络的湿法冶金全过程监测仿真平台，将湿法冶金生产过程的动态特性通过建立数学模型、编程在计算机上运行，实现了对湿法冶金生产过程的监测，但该仿真平台缺少钙皂化机理模型，因此不能实现钙皂化的过程监测。杨秉宇3 基于粗糙集的数据挖掘方法对积累的现场数据进行优化控制，通过补偿各工序指标及操作变量，实现对湿法冶金全流程的优化，但该优化策略影响钙皂化生产的参数较少，不能实现钙皂化过程的优化。由于钙皂化工艺过程伴随大量复杂的物理、化学反应，涉及原料成分、工艺参数、设备构造、辅材品质等要素，导致难以建立准确的仿真模型，使得对于钙皂化机理模型及工艺参数优化研究较少。因此，目前钙皂化设备关键工艺参数只能依赖人工经验确定，并通过离线检测皂化度即钙皂有机相中 CaA2的含量来重复校正反应结果。基于生产过程影响因素的复杂性，如何建立钙皂化工艺的反应机理模型，成为钙皂化生产质量、效率提升的主要瓶颈。针对缺少钙皂化工艺反应机理模型这一问题，考虑钙皂化搅拌釜的结构工艺参数，构建钙皂化反应机理模型，实现对钙皂化生产流程的实时仿真分析4。并通过正交实验优化方法优化钙皂化过程5，得到搅拌桨类型、搅拌转速、搅拌桨位置和进料位置等参数的优化数值，提升了钙皂化生产的质量及效率。2模型及验证21钙皂化反应机理(1)工艺过程根据企业生产现状在反应釜中加入待皂化原料，即 空 白 有 机 相(HA)，浓 度 2mol/L、总 量2.5m3;按 1L/s 流速逐渐注入浓度为 10mol/L 碳酸钙浆液 0.15m3 0.2m3，同时启动搅拌系统。各相液体在釜内混合发生钙皂化反应，生成钙皂有机相(CaA2);随着釜内皂化反应的持续，钙皂有机相总量不断增加，当钙皂有机相浓度达到0.42mol/L 0.45mol/L 时，钙皂化过程结束。利用钙皂有机相、废液、水三相的密度差异，将钙皂有机相分离并经管道送至下工序车间。钙皂化工艺主要参数如下表 1 所示。表 1钙皂化工艺主要参数碳酸钙浆液浓度 mol/L碳酸钙浆液加入量 m3空白有机相浓度 mol/L100.15 0.22空白有机相总量 m3空白有机相加入速度 L/s钙皂有机相浓度 mol/L2.510.42 0.45mol/L(2)反应机理钙皂化主体反应体系是碳酸钙和空白有机相在常温下的竞争串联反应，该主反应体系又分为主反应和副反应两部分，化学方程式如下:主反应:2HA+CaCO3k1CaA2+H2O+CO2副反应:CaCO3+CaA2k2CaHA322钙皂化流体力学模型CFD(Computational Fluid Dynamics)分析是基于质量守恒方程和动量守恒方程(Navier-Stokes)方程。对于搅拌釜中的湍流流动，需将湍流动量表示为时均值和脉动值的叠加，此时的动量守恒方程称为雷洛方程。因为雷洛应力的存在，方程组不能封闭，所以在方程组中添加标准 湍流模型作为补充方程6。对于搅拌釜中的钙皂化模拟，要求解雷洛方程、质量守恒方程和标准 湍流方程。雷洛方程:ujujxj=pxi+2uixj2+fi uiujx()j(1)式中:i，j=1，2，3;ujujxj对流项;pxi压力梯度;652022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备2uixj2扩散项;fi体积力;uiujx()j雷诺应力。质量守恒方程:t+(u)x+(v)y+(w)z=0(2)式中:流体密度;t时间，min;u、v、w在 x、y、z 方向上的速度分量。标准 湍流方程是在湍动能 的基础上，再增加一个湍动能耗散率 的方程。单位质量流体湍流脉动动能:=12u2+v2+w()2(3)单位质量流体湍流脉动动能耗散率:=ux()kuix()k(4)23反应釜三维建模钙皂化设备的核心部件为反应釜，其结构如图 1 所示。其主体呈圆柱形，内壁垂直方向均布一定宽度的四块挡板，釜体中央内置直叶涡轮搅拌桨，搅拌桨底部相对釜底距离 600mm。企业现役反应釜结构工艺参数如表 2 所示。图 1钙皂化搅拌釜模型24数值仿真(1)边界条件运用 meshing 工具对反应釜模型进行网格划分，生成非结构化网格。网格划分时将模型分为动区域和静区域7，划分后网格总数 427034。运用单元质量评定法检测网格划分结果，单元质量指数达到 91.5%，高于一般要求 75%，即划分的网格可用于后续研究。表 2搅拌器结构、工艺参数釜体直径/mm搅拌轴距离釜底距离/mm搅拌桨直径/mm搅拌轴直径/mm150060073380液位高度/mm搅拌桨桨叶高度/mm搅拌桨转速/rpm加料口直径/mm150013370100挡板宽度/mm加料位置釜体高度/mm167釜顶挡板处2000运用滑移网格法对模型进行分析计算，计算域分成动、静两部分，即旋转的搅拌桨和静止的釜体和挡板;两部分的网格在 Fluent 中通过定义非匹配边界条件实现相互独立，外部的网格静止，而内部的网格随搅拌桨转动，两部分网格之间通过通过 interior 面进行数据传递。(2)数据计算方法数值仿真严格采用 2 1 中所述实际生产过程工艺参数。当注入碳酸钙浆液时搅拌系统开始以70rpm 匀速转动，直到规定的皂化反应结束时间终止。通过 Fluent 软件功能，规定以所有计算变量的残差小于 104为收敛条件;运算初期，手动设置迭代次数，当运算收敛且各变量误差低于收敛条件时，后续的运算迭代次数则由软件自行控制。根据 Fluent 软件计算的上述参数数值，进一步建立分别式(5)和式(6)得到皂化度和功耗数值;经系统处理，用云图直观反应釜内 CaA2生成及钙皂有机相浓度变化与时间、搅拌功耗的相关性。S=2C0(V1+V2)C1V1(5)式中:S皂化度;C0钙皂有机相浓度，mol/L;C1空白有机相浓度，mol/L;V1空白有机相体积，L;V2碳酸钙浆液体积，L。75邵留宝等:稀土钙皂化流程仿真及参数优化研究2022 年 12 月第 6 期W=Pt=NMy30t(6)式中:W功耗，kWh;P搅拌驱动功率，kW;M转速，rpm;My扭矩，Nm;t时间，min。(3)仿真试验数据分析皂化反应时序云图见图 2(a)(f)，分初期、中期、末期三个阶段。加入碳酸钙浆液初期 4min 内皂化反应较弱，皂化度增量缓慢;进入中期，约 6min 内反应逐渐加剧，见图 2(c)、(d)，有大量钙皂有机相生成并迅速扩散后，皂化度急剧提升;末期由于参与反应的各类物质减少，皂化反应趋于平缓，见图 2(e)、(f)，最终在 13min 反应结束，相关物质浓度随时间变化规律如图 3 所示。反应结束时釜内皂化度为0.4281，功耗为1.0971kWh，时间为13.0000min。搅拌器旋转运动导致釜中液相形成湍流，见图 2(b)、(c)、(d)。不同时期湍流的位置、强度、影响区域不同，并对各相反应物的混合、皂化反应速度造成直接影响。湍流所处位置及强度与搅拌器转速、位置、结构相关。搅拌器旋转运动导致釜中液相形成湍流，见图 2(b)、(c)、(d)。不同时期湍流的位置、强度、影响区域不同，并对各相反应物的混合、皂化反应速度造成直接影响。湍流所处位置及强度与搅拌器转速、位置、结构相关。图 2反应过程皂化有机相皂化度变化云图采集等同条件下生产线运行相应数据，对比仿真试验8，绘制皂化反应过程 S、W 值随时间变化如图 4 所示。图像所示仿真试验、实际生产 S、W、t 三项参数接近，其变化规律基本一致;生产线皂化反应终止时，釜内实测数据皂化度为 0.4050，功耗为1.6667kWh，时间为 13.8300min;仿真结果相对误差分别为 4.96%、5.96%、6.00%。3设备及工艺参数优化31正交实验优化方法设计852022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备生产中影响钙皂化加工的因素极其复杂，包括原料、工艺、设备、辅材、操作人技能等方面9。在原料、辅材品质稳定的前提下，结合工艺需求优化原有设备结构，并升级设备控制精度，可获稳定的皂化反应规律，从而排除人为因素影响。在上述研究的基础上合理设计正交实验，针对设备结构进行多目标优化，可达到高效稳定生产的目的10。图 3釜中各类物质摩尔量随时间变化图图 4钙皂有机相皂化度、功耗变化图设置搅拌桨类型、搅拌转速、搅拌桨位置、进料位置和挡板结构为控制因子，以皂化度 S 为主要控制量，期望值取高值;皂化时间 t、功耗 W 辅助控制量，期望值取低值，遵循四因素三水平按正交实验表(L9(34)进行正交实验11。建立综合评价指标模型见式 5:E=1S+2(1 t)+3(1 W)(5)式中:E综合评价指标;S(t、W)S(t、W)归一化值;1(2、3)S(t、W)权重，取 1=0.4，2=3=0.3。32因素水平及正交实验正交实验中各因素水平如下因素水平如表 3所示，其他设置与钙皂化反应机理模型中相同。表 3因素水平因子A 搅拌桨类型B 搅拌转速C 搅拌桨位置D 进料位置水平1直叶涡轮搅拌桨60rpm距釜底400mm釜顶挡板处2斜叶涡轮搅拌桨70rpm距釜底600mm釜顶搅拌轴处3后弯叶圆盘涡轮桨80rpm距釜底800mm搅拌桨平面将四因素三水平按正交实验表安排分别进行仿真试验，获得各组合皂化值、皂化时间和功耗;对得到的数据进行归一化处理得综合评价值。整理后的数据如表 4 所示。表 4基于 L9(34)模拟的实验安排情况及结果NoABCD皂化值皂化时间/s功耗kWh综合评价(*100)111110.433214.75001.083438.1934212220.433213.00001.097151.3720313330.432113.62501.110838.1362421230.432611.23331.028572.1172522310.430414.75001.042228.0593623120.428612.62501.138224.7051731320.431513.75001.028544.4941832130.435513.62501.124554.8476933210.428113.62501.138213.097495邵留宝等:稀土钙皂化流程仿真及参数优化研究2022 年 12 月第 6 期33正交实验分析对正交实验结果各控制因子进行极差分析，极差越大表明该因子对控制量影响越大，即依据极差的大小可以判断控制因子的主次12。仿真结果极差分析情况如表 5 所示。表 5正交实验极差分析水平均值ABCD142.567251.601539.248726.4500241.627244.759645.528940.1904337.479725.312936.896555.0337极差5.087526.28868.632328.5836因素主次D B C A最优组合A1B1C2D3结果表明:各因子对综合指标的影响顺序为:进料位置、搅拌转速、搅拌桨位置和搅拌桨类型;对于正交设计试验的九种组合中，最优的组合为:直叶涡轮搅拌桨、搅拌转速 60rpm、搅拌桨距釜底600mm 和搅拌桨平面进料。对极差分析获得的优化组合(A1B1C2D3)进行仿真，仿真数据与初始状态(A1B2C2D1)的数据对比如表 6 所示。表 6优化组合与初始状态数据对比状态皂化度皂化时间s功耗kWh综合评价(*100)优化后0.432612.62500.930672.5812初始0.4281131.097123.8416相对变化量(优化后 初始)/初始)1.8%2.9%15.2%由数据对比可知，正交实验法仿真获得的优化参数组合与初始状态相比，皂化度提升了1.8%，皂 化 时 间、功 耗 分 别 下 降 了 2.9%、15.2%，有效提升了生产质量及效率。4结论针对钙皂化生产质量及效率难以提升问题，构建了能实时反应钙皂化生产状态的钙皂化反应机理模型，以实现钙皂化生产全流程的仿真分析。参数优化后较初始状态皂化度提升了 1.8%，皂化时间、功耗分别下降了 2.9%、15.2%。研究成果为钙皂化工艺过程的数字化设计提供了参考，弥补了当前皂化度离线检测的不足，为后续钙皂化在线检测系统的研发奠定基础。参考文献 1 唐焱，刘昌豹，甘家毅，等 稀土灼烧过程温湿度场仿真分析 J 机械设计与制造，2021(01):24 27 2 何泳辉 湿法冶金过程监测半实物仿真平台设计与实现 D 沈阳:东北大学，2013 3 杨秉宇 基于数据的湿法冶金全流程优化控制补偿方法的研究 D 沈阳:东北大学，2012 4 许浩，王运东 搅拌反应器内复杂化学反应的计算流体力学模拟J 中国科技论文在线，2006，1(1):5764 5 段晓霞，程荡，程景才，等 搅拌槽反应器内宏观和微观混合及过程强化J 化学反应工程与工艺，2013，29(03):238 246 6 谢震非，许兰喜，李殿卿 旋转液膜反应器高度对临界流量影响的研究J 北京化工大学学报(自然科学版)，2019，46(05):107 111 7 王伟，常新龙，张有宏，等 T700 纤维缠绕发动机壳体力学性能分析及优化设计J 科学技术与工程，2021，21(07):2962 2966 8 R R Linn，S L Goodrick，S Brambilla，M J Brown，R S Middleton，J J OBrien，J K Hiers QUIC fire:A fast running simulation tool for prescribed fireplanningJ Environmental Modelling and Software，2020，125(C)9 宋丽莎，符裕，王悦，等 稀土皂化 P_(507)煤油有机相的制备及相关反应J 稀土，2014，35(04):612 10 司纪凯，严作光，聂瑞，等 120相带环形绕组圆筒型永磁直线发电机定位力降低的优化设计(英文)J 电工技术学报，2021，36(06):1138 1148 11Shu，Lei Yang，Mingjin Zhao，Hang，et al 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