稀土萃取過程建模與智能優(yōu)化控制方法的研究.pdf

1、我國是稀土資源大國,稀土的儲量和產量均居世界首位。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。我國稀土萃取的一般工藝流程是先將稀土精礦經溶料處理后配制成一定配分的稀土料液,料液經輸送設備被注入到中間級萃取器中,同時萃取劑由首級加入、酸液由末級加入,經多級逐級萃取后,分別從水相出口和有機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過程的重要質量指標,因此

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

3、保證萃取產品質量的批量穩(wěn)定性和一致性。
　　 本文在國家“十五”科技攻關項目“稀土萃取過程在線分析與閉環(huán)控制產業(yè)化技術(2002BA315A-4)”的支持下,以提高稀土產品的質量為目標,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態(tài)模型;設計與開發(fā)了由基于萃取過程動態(tài)模型、執(zhí)行機構與檢測儀表的虛擬裝置、

4、PLC以及監(jiān)控優(yōu)化軟件等構成的稀土萃取過程優(yōu)化控制仿真實驗系統(tǒng),在該仿真實驗系統(tǒng)上進行了稀土萃取過程優(yōu)化控制的仿真實驗,驗證了提出的優(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范圍內的智能優(yōu)化控制方法由萃取劑、料液、酸液的流量設定層和上述流量的回路控制層構成,其中設定層包括萃取劑、料液、酸液的流量預設定模型,難萃和易萃元素組分含量的軟測量模型,萃取劑流量補償模型和酸液流量補償

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

6、aCe/PrNd過程作為具體的建模研究對象,將單組分逐級萃取動態(tài)方程與“串級萃取理論”的多組分萃取平衡分離系數(shù)相結合,提出了以各組分稀土元素在每一級水相和有機相中的濃度為狀態(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返流萃取的高階非線性動態(tài)模型。對所建立的動態(tài)模型進行了靜態(tài)仿真驗證,即在萃取劑、料液、酸液流量不變的情況下,研究了動態(tài)模型的濃度輸出由初始狀態(tài)達到穩(wěn)態(tài)的變化過程,并和實測的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行了對比

7、;其次,討論了萃取劑、料液、酸液流量的階躍擾動變化對各級稀土元素濃度的影響。仿真的結果表明所建立的動態(tài)模型可以模擬萃取過程的動態(tài)特性。
　　 (3)元素組分含量軟測量模型以稀土萃取過程的動態(tài)模型為基礎,采用在多個運行點上的多個線性模型作為主模型,并用神經網絡補償建模誤差。用某公司P507(Kerosene)-HCL,萃取分離LaCe/PrNd生產過程的難萃組分B(La、Ce)和易萃組分A(Pr、Nd)的實測數(shù)據(jù)對所提出的軟測量模

8、型進行對比驗證,結果表明所提出混合智能軟測量模型具有較高的測量精度。
　　 (4)稀土萃取過程優(yōu)化控制仿真實驗系統(tǒng)由基于稀土萃取過程動態(tài)模型的虛擬對象軟件、基于所提出方法的智能優(yōu)化控制軟件,以及虛擬對象計算機、監(jiān)控優(yōu)化計算機、西門子S7-400型PLC、執(zhí)行機構與檢測儀表虛擬裝置等構成。針對P507(Kerosene)-HCL萃取分離LaCe/PrNd稀土萃取生產過程,進行了當產量指標變化、料液配分變化、萃取劑皂化度變化時稀土元