稀土萃取過程建模與智能優(yōu)化控制方法的研究.pdf

1、我國(guó)是稀土資源大國(guó),稀土的儲(chǔ)量和產(chǎn)量均居世界首位。稀土元素在顯示器熒光粉、釹鐵硼永磁材料、鎳氫電池、稀土鋁合金、精密陶瓷等的制造中是不可缺少的重要原料。我國(guó)稀土萃取的一般工藝流程是先將稀土精礦經(jīng)溶料處理后配制成一定配分的稀土料液,料液經(jīng)輸送設(shè)備被注入到中間級(jí)萃取器中,同時(shí)萃取劑由首級(jí)加入、酸液由末級(jí)加入,經(jīng)多級(jí)逐級(jí)萃取后,分別從水相出口和有機(jī)相出口得到難萃和易萃的稀土組分。難萃和易萃稀土元素組分含量是稀土萃取生產(chǎn)過程的重要質(zhì)量指標(biāo),因此

2、在保證稀土產(chǎn)量和成本指標(biāo)的前提下,提高難萃和易萃稀土元素組分含量,即提高稀土產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義。
　　 稀土萃取生產(chǎn)過程難萃和易萃稀土元素組分含量難于在線連續(xù)檢測(cè),它們與萃取劑流量、料液流量、酸液流量之間存在強(qiáng)耦合、非線性、大滯后,難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述,并隨萃取劑的皂化度、料液配分等的波動(dòng)而變化。因此,難以采用現(xiàn)有的控制方法對(duì)難萃和易萃稀土元素組分含量進(jìn)行控制。稀土萃取生產(chǎn)過程元素組分含量的控制,仍處于人工控制,因而不能

3、保證萃取產(chǎn)品質(zhì)量的批量穩(wěn)定性和一致性。
　　 本文在國(guó)家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“稀土萃取過程在線分析與閉環(huán)控制產(chǎn)業(yè)化技術(shù)(2002BA315A-4)”的支持下,以提高稀土產(chǎn)品的質(zhì)量為目標(biāo),開展了稀土萃取過程建模與智能優(yōu)化控制方法的研究,取得了如下成果:提出了稀土萃取過程元素組分含量智能優(yōu)化控制方法;為了驗(yàn)證所提出智能優(yōu)化控制方法的有效性,提出了稀土萃取過程動(dòng)態(tài)模型;設(shè)計(jì)與開發(fā)了由基于萃取過程動(dòng)態(tài)模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與檢測(cè)儀表的虛擬裝置、

4、PLC以及監(jiān)控優(yōu)化軟件等構(gòu)成的稀土萃取過程優(yōu)化控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在該仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了稀土萃取過程優(yōu)化控制的仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了提出的優(yōu)化控制方法的有效性。本文的主要研究工作歸納如下:
　　 (1)提出的將稀土元素組分含量控制在指標(biāo)范圍內(nèi)的智能優(yōu)化控制方法由萃取劑、料液、酸液的流量設(shè)定層和上述流量的回路控制層構(gòu)成,其中設(shè)定層包括萃取劑、料液、酸液的流量預(yù)設(shè)定模型,難萃和易萃元素組分含量的軟測(cè)量模型,萃取劑流量補(bǔ)償模型和酸液流量補(bǔ)償

5、模型。流量預(yù)設(shè)定模型采用基于“串級(jí)萃取理論”的工藝計(jì)算模型和案例推理技術(shù)對(duì)萃取劑、料液、酸液的流量進(jìn)行預(yù)設(shè)定;萃取劑流量補(bǔ)償模型以難萃元素組分含量離線化驗(yàn)值和軟測(cè)量值與設(shè)定值之間的偏差作為輸入量、酸液流量補(bǔ)償模型以易萃元素組分含量離線化驗(yàn)值和軟測(cè)量值與設(shè)定值之間的偏差作為輸入量,采用模糊推理技術(shù),產(chǎn)生萃取劑或酸液設(shè)定流量的補(bǔ)償值。
　　 (2)以混合澄清萃取器為主體設(shè)備的酸性磷萃取劑P507(Kerosene)-HCL萃取分離L

6、aCe/PrNd過程作為具體的建模研究對(duì)象,將單組分逐級(jí)萃取動(dòng)態(tài)方程與“串級(jí)萃取理論”的多組分萃取平衡分離系數(shù)相結(jié)合,提出了以各組分稀土元素在每一級(jí)水相和有機(jī)相中的濃度為狀態(tài),萃取劑、料液、酸液流量為輸入,難萃和易萃稀土元素組分含量為輸出的多組分逐級(jí)返流萃取的高階非線性動(dòng)態(tài)模型。對(duì)所建立的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了靜態(tài)仿真驗(yàn)證,即在萃取劑、料液、酸液流量不變的情況下,研究了動(dòng)態(tài)模型的濃度輸出由初始狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的變化過程,并和實(shí)測(cè)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比

7、;其次,討論了萃取劑、料液、酸液流量的階躍擾動(dòng)變化對(duì)各級(jí)稀土元素濃度的影響。仿真的結(jié)果表明所建立的動(dòng)態(tài)模型可以模擬萃取過程的動(dòng)態(tài)特性。
　　 (3)元素組分含量軟測(cè)量模型以稀土萃取過程的動(dòng)態(tài)模型為基礎(chǔ),采用在多個(gè)運(yùn)行點(diǎn)上的多個(gè)線性模型作為主模型,并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償建模誤差。用某公司P507(Kerosene)-HCL,萃取分離LaCe/PrNd生產(chǎn)過程的難萃組分B(La、Ce)和易萃組分A(Pr、Nd)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)所提出的軟測(cè)量模

8、型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明所提出混合智能軟測(cè)量模型具有較高的測(cè)量精度。
　　 (4)稀土萃取過程優(yōu)化控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由基于稀土萃取過程動(dòng)態(tài)模型的虛擬對(duì)象軟件、基于所提出方法的智能優(yōu)化控制軟件,以及虛擬對(duì)象計(jì)算機(jī)、監(jiān)控優(yōu)化計(jì)算機(jī)、西門子S7-400型PLC、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與檢測(cè)儀表虛擬裝置等構(gòu)成。針對(duì)P507(Kerosene)-HCL萃取分離LaCe/PrNd稀土萃取生產(chǎn)過程,進(jìn)行了當(dāng)產(chǎn)量指標(biāo)變化、料液配分變化、萃取劑皂化度變化時(shí)稀土元