稀土萃取过程建模与智能优化控制方法的研究

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1、东北大学博士学位论文摘要稀土萃取过程建模与智能优化控制方法的研究“摘要少我国是稀土资源大国，稀土的储量和产量均居世界首位。稀土元素在显示器●荧光粉、钕铁硼永磁材料、镍氢电池、稀土铝合金、精密陶瓷等的制造中是不可缺少的重要原料。我国稀土萃取的一般工艺流程是先将稀土精矿经溶料处理后配制成一定配分的稀土料液，料液经输送设备被注入到中间级萃取器中，同时萃取剂由首级加入、酸液由末级加入，经多级逐级萃取后，分别从水相出口和有机相出口得到难萃和易萃的稀土组分。难萃和易萃稀土元素组分含量是稀土萃取生产过程的重要质量指标，因此在保证稀土产量和成本指标的前提下，提

2、高难萃和易萃稀土元素组分含量，即提高稀土产品的质量具有重要意义。稀土萃取生产过程难萃和易萃稀土元素组分含量难于在线连续检测，它们与萃取剂流量、料液流量、酸液流量之间存在强耦合、非线性、大滞后，难以用精确的数学模型描述，并随萃取剂的皂化度、料液配分等的波动而变化。因此，难以采用现有的控制方法对难萃和易萃稀土元素组分含量进行控制。稀土萃取生产过程元素组分含量的控制，仍处于人工控制，因而不能保证萃取产品质量的批量稳定性和一致性。本文在国家“十五"科技攻关项目“稀土萃取过程在线分析与闭环控制产业化技术(2002BA315A．4)”的支持下，以提高稀土产

3、品的质量为目标，开展了稀土萃取过程建模与智能优化控制方法的研究，取得了如下成果：提出了稀土萃取过程元素组分含量智能优化控制方法；为了验证所提出智能优化控制方法的有效性，提出了稀土萃取过程动态模型；设计与开发了由基于萃取过程动态模型、执行机构与检测仪表的虚拟装置、PLC以及监控优化软件等构成的稀土萃取过程优化控制仿真实验系统，在该仿真实验系统上进行了稀土萃取过程优化控制的仿真实验，验证了提出的优化控制方法的有效性。本文的主要研究工作归纳如下：(1)提出的将稀土元素组分含量控制在指标范围内的智能优化控制方法由萃取剂、料液、酸液的流量设定层和上述流量

4、的回路控制层构成，其中设定层包括萃取剂、料液、酸液的流量预设定模型，难萃和易萃元素组分含量的软测量模型，萃取剂流量补偿模型和酸液流量补偿模型。流量预设定模型采用基于“串级萃取理论”的工艺计算模型和案例推理技术对萃取剂、料液、酸液的流量进行预设定；萃取剂流量补偿模型以难萃元素组分含量离线化验值和软测量值与设定值之间的√东北大学博士学位论文摘要偏差作为输入量、酸液流量补偿模型以易萃元素组分含量离线化验值和软测量值与设定值之间的偏差作为输入量，采用模糊推理技术，产生萃取剂或酸液设定流量的补偿值。(2)以混合澄清萃取器为主体设备的酸性磷萃取剂P507(

5、Kerosene)．HCL萃取分离LaCe／PrNd过程作为具体的建模研究对象，将单组分逐级萃取动态方程与“串级萃取理论”的多组分萃取平衡分离系数相结合，提出了以各组分稀土元素在每一级水相和有机相中的浓度为状态，萃取剂、料液、酸液流量为输入，难萃和易萃稀土元素组分含量为输出的多组分逐级返流萃取的高阶非线性动态模型。对所建立的动态模型进行了静态仿真验证，即在萃取剂、料液、酸液流量不变的情况下，研究了动态模型的浓度输出由初始状态达到稳态的变化过程，并和实测的稳态数据进行了对比；其次，讨论了萃取剂、料液、酸液流量的阶跃扰动变化对各级稀土元素浓度的影响

6、。仿真的结果表明所建立的动态模型可以模拟萃取过程的动态特性。(3)元素组分含量软测量模型以稀土萃取过程的动态模型为基础，采用在多个运行点上的多个线性模型作为主模型，并用神经网络补偿建模误差。用某公司P507(Kerosene)．HCL萃取分离LaCe／PrNd生产过程的难萃组分B(La、Ce)和易萃组分A(Pr、Nd)的实测数据对所提出的软测量模型进行对比验证，结果表明所提出混合智能软测量模型具有较高的测量精度。(4)稀土萃取过程优化控制仿真实验系统由基于稀土萃取过程动态模型的虚拟对象软件、基于所提出方法的智能优化控制软件，以及虚拟对象计算机、

7、监控优化计算机、西门子S7．400型PLC、执行机构与检测仪表虚拟装置等构成。针对P507(Kerosene)．HCL萃取分离LaCe／PrNd稀土萃取生产过程，进行了当产量指标变化、料液配分变化、萃取剂皂化度变化时稀土元素组分含量智能优化控制有效性的仿真实验。结果表明在产量指标变化和料液配分、萃取剂皂化度波动较大的情况下，难萃和易萃稀土元素组分含量仍然能够被控制在要求的指标范围内。关键词：稀土萃取过程；元素组分含量；智能优化控制；萃取过程动态模型；混合智能软测量；仿真实验系统●■一’-■rare-earthextractivemineatac

8、ertaincompositionratio．Usingthefeedingequipment．thematedalliquidiSaffluxedi