基于METSIM软件的钨碱煮工艺流程模拟.pdf

5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 ‘7 5 4 5 ．2 0 1 6 ．0 6 ．0 1 5 基于M E T S I M 软件的钨碱煮 刘飞飞8 ，龚 工艺流程模拟 亚忠8 ，朱朋克8 ，罗贤平6 ，徐鹏8 ，辛鹏武b 江西理工大学，a ．电气工程与自动化学院，b ．机电工程学院，江西赣州3 4 1 0 0 0 摘要简述流程模拟技术在流程工业中的应用现状，介绍M E T S I M 冶金过程模拟系统的特点及用途， 并以赣南某钨冶炼工厂的球磨一碱煮工序为对象，建立了基于M E T S I M 软件的W O 。球磨碱煮工艺 的流程模拟仿真系统，并进行了物料衡算、模型准确性验证以及碱煮过程分析。结果表明，基于 M E T S I M 软件建立的钨球磨一碱煮流程模拟系统可以准确地模拟整个钨冶炼球磨一碱煮流程，实际 生产的W O 。浸出率与模拟计算的W O 。浸出率相对误差为0 ．3 5 ％，通过该模型可以实时了解W O 。浸 出过程。 关键词M E T S I M 软件；钨冶炼；物料衡算；W O 。浸出率 中图分类号T F 8 4 1 ．1 ；T F 8 0 3 ．2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 6 0 6 0 0 5 4 0 4 P r o c e s sS i m u l a t i o no fT u n g s t e nA l k a l iL e a c h i n g B a s e do nM E T S I MS o f t w a r e L I UF e i f e i 8 ，G O N GY a z h o n 9 8 ，Z H UP e n g k e 8 ，L U OX i a n p i n 9 6 ，X UP e n 9 8 ，X I Np e n g w u 6 a ．S c h o o lo fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n ，b ．S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ， J i a n g x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，G a n z h o u3 4 1 0 0 0 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t A p p l i c a t i o ns t a t u so fP r o c e s sS i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi np r o c e s si n d u s t r ya n dc h a r a c t e r i s t i ca n d p u r p o s eo fM E T S I Mm e t a l l u r g i c a lp r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e mw e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ．T u n g s t e na l k a l i l e a c h i n gp r o c e s so fb a l lm i l l i n ga n ds o d ab o i l i n gi n a f a c t o r yo fS o u t ho fJ i a n g x iP r o v i n c eb a s e do n M E T S I Ms o f t w a r ew a ss i m u l a t e d ．M a t e r i a lb a l a n c e ，v e r i f i c a t i o no fv e r a c i t yo fm o d e l ，a n do fa l k a l i n e h e a t i n gp r o c e s sw a sa n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o c e s so fb a l lm i l l i n ga n da l k a l i n e l e a c h i n g p r o c e s sb a s e do nt h eE T S I Ms o f t w a r ec a na c c u r a t e l ys i m u l a t et h ew h o l ep r o c e s so fb a l lm i l l i n ga n d a l k a l i n e l e a c h i n gp r o c e s s ．T h er e l a t i v ee r r o ro fl e a c h i n gr a t eo ft u n g s t e no r eb e t w e e na c t u a lp r o d u c t i o na n d s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o ni s0 ．3 5 ％w h i c hi sw i t h i na l l o w a b l er a n g eo ft h ep r o j e c t ．W 0 3l e a c h i n gp r o c e s sc a n b er e a l i z e di nr e a lt i m et h r o u g ht h i sm o d e l ． K e yw o r d s M E T S I Ms o f t w a r e ；t u n g s t e nm e t a l l u r g y ；m a t e r i a lb a l a n c e ；l e a c h i n gr a t eo fW 0 3 钨是战略资源，我国的钨资源储量占世界储量 的4 9 ．5 ％。随着钨矿的开采和钨用量的增加，钨的 储量将越来越少。在这种情况下，一方面须提高对 低品位钨矿资源的利用率，以弥补原钨资源的不足， 另一方面须深入研究钨的采、选、冶炼以及钨材料的 加工工艺，提高各工艺工程对各种复杂矿源的适应 收稿日期2 0 1 5 1 2 2 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 6 1 3 6 4 0 1 4 ；江西省对外科技合作项目 2 0 1 0 E H A 0 1 4 0 0 作者简介刘飞飞 1 9 6 2 一 ，男，江西人，博士，教授． 万方数据 2 0 1 6 年第6 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／] y s y l ．b g r i m m ．c n 5 5 性，实现对钨矿资源的高效利用。本文以赣南某钨 冶炼厂钨碱煮流程的球磨一碱煮工序为研究对象， 分析工艺流程的主要成分与操作参数，结合 M E T S I M 软件的特点，对球磨一碱煮工艺流程进行 流程模拟，建立基于M E T S I M 软件的钨冶金球 磨一碱煮流程模拟系统。 1 计算机模拟技术在流程工业中的 应用现状 随着计算机技术的发展，流程模拟技术已成为 过程系统工程的重要技术[ 1 ] ，可以为过程系统的 综合分析和优化提供快速高效的方法。流程模拟 软件如A s p e nP l u s 、P R O ／I I 、C H E M C A D 等已经广 泛应用于石油化工领域，越来越多的人开始重视 冶金流程模拟软件的应用。目前在矿物加工和冶 金领域使用的商业流程模拟软件主要有P R O ／I I 、 A s p e nP l u s 、H y s y s 和M E T S I M 等。一般认为， P R O ／I I 在炼油工业应用更为准确些，因其数据库 中有不少经验数据，A s p e nP l u s 主要用于化工领域 流程模拟，它的计算是很精确，而且数据库也是很 完善的，但考虑的因素较多，学习起来较费力； H y s y s 则在油气工程领域就有着极高的精度和准 确性[ 2 。3 ] 。M E T S I M 软件可用于复杂工艺流程图 中主要单元操作的质量平衡计算，并逐渐扩展到 热量平衡计算、过程控制、化学反应、设备设计、过 程分析和成本估算[ 4 ] ，该软件已经成功应用在砷 的提取、铜的冶炼、离子型稀土的分离等工艺流 程[ 5 。1 。目前，M E T S I M 几乎可以对所有的冶金 工艺流程进行模拟计算，还可以进行工艺可行性 研究、中试数据和工艺流程的评估、工厂规模的设 计计算、以及操作装置的改进研究等[ 1 引。 2 建立模型 2 ．1 钨冶炼球磨一碱煮工序简介 钨冶炼球磨一碱煮工序工艺流程图如图1 所示。 将钨精矿进行湿法球磨，使钨精矿的粒度磨细 至一4 3 弘m 占比大于9 8 ％，为了使双筒振动球磨机 达到最佳的球磨效果，要在球磨过程中将固液比维 持在4 ～5 。压煮釜是W O 。浸出的主要设备，假设黑 钨矿分子中铁的摩尔数为z ，当反应釜内温度低于 1 0 2 ℃时，发生的主要化学反应为 F e ，M n W 0 4 。 2 N a O H 。q N a 2W 0 4 ∞ x F e O H 2 。 1 - - x M n O H 2 。 1 图1 球磨一碱煮工序工艺流程图 F i g ．1 P r o c e s sf l o w s h e e to fb a l lm i l l i n ga n d a l k a l i n e - l e a c h i n gp r o c e s s C a W 0 4 ； 2 N a O H 。q 一N a 2W 0 4 。q C a O H 2 。 3 当反应釜内温度高于1 0 2 ℃时，反应 1 为 F e ，M n W 0 4 曲 2 N a O H 。q N a 2W 0 4 。q x F e O 。 1 一z M n 0 H 2 。 x H 2 0 2 2 ．2 建立基于M E T S I M 软件的球磨一碱煮模型 选取品位为5 5 ％的钨精矿，主要成分为 ％ F e W 0 45 0 ．4 3 、M n W 0 41 7 ．9 6 、C a W 0 43 ．4 2 、C a S i 0 31 1 ．6 3 、C a 3 P 0 4 21 ．0 0 、C a M 0 0 40 ．6 3 、 F e A s O 。0 ．7 8 。在温度为 1 2 5 1 0 ℃、反应时间 为2 4 0r a i n 、碱用量是理论用量的2 ．8 倍时，以赣 南某钨冶炼工厂的球磨一碱煮工序为对象，建立 的基于M E T S I M 的球磨一碱煮工序工艺流程模拟 系统如图2 所示。图2 中的重要设备2 ～7 的名称 依次为钨精矿料仓、螺旋给料机、双筒振动球磨 机、带搅拌的储料槽、泥浆泵、压煮釜；图2 中每一 个物流都对应着详细的物流成分信息，主要的物 流信息显示在物流上方的表格中，在表格中我们 可以看到流速、液相成分 L I 流速、固相成分 S I 流速、密度以及主要产物的生成率等重要参数。 2 ．3 对模型进行物料衡算 如果使用现有的方法用E x c e l 通过手工进行 物料衡算，主要成分的物料平衡很难做到快速计 算，然而使用M E T S I M 软件建立的模型进行计 算，只要输入必要的参数，则不论模型包含的元素 与化合物有多少种，均可以确保物料平衡。表1 是该模型的物料衡算结果，可以看出，所有的输入 输出物流保持元素平衡，因此该模型可以保证物 料平衡。 万方数据 。5 6 。 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第6 期 P 9 8M I C z 4 j 4 ．6 6 l P 8 0M I C6 2 8 ．5 0 9 l 互。 匿N a m e 骂H 2 0 3 ∞8 障万T 万F 1 1 硎 S t r e a mN o ．1 6 N a m e H 3 P 0 4 L Ik g ／h1 0 H 3 P 0 4q ／L1 5 7 0 0 0 1 B A L LM I L L M L B S t r e a mN o5 8 0 0 1 8 7 ．7 ％S 0 1 i d s8 1 ．0 0 N 0 ．M L B s2 L e n 口t hI L1 ． 0 ． 4 2 1 0 6 0 0 M L BR A T I O5 0 0 P 9 8M I C 9 9 P 8 0M I C9 6 5T A K 望 旦 呈 垫 婪呈 旦 呈 垦 W 0 3r a t e N a O Hq ／L2 8 1 ．1 l A U T 『S t r e a mN o ．1 1 0 N a m eN a O H N a O Hk q ／h4 6 0 S t r e a mN o ．19 H 2 0 虫』j H 2 0g ／L 3 0 2 ．0 9 9 8 ．3 10 0 2 S t r e a mN o N a m e 蔓呈』皇 堕 H 3 P 0 4q ／L 图2 基于M E T S I M 软件的球磨一碱煮工艺流程模型 F i g 2 P r o c e s sm o d e lo fb a l lm i l l i n ga n da l k a n e - l e a c h i n gp r o c e s sb a s e do nM E T S I Ms o f t w a r e 表1球磨一碱煮工序主要元素平衡表 T a b l e1M a i ne l e m e n t sb a l a n c eo fb a i lm i l l i n ga n da l k a l i n e - l e a c h i n gp r o c e s s ；軎 输入物流 k g ／h 输出物流 k g ／h l46 9l O 总输入 1 1 总输出 H0 ．0 0 02 0 ．9 9 90 ．4 3 0 3 3 ．7 9 61 1 ．5 9 36 6 ．8 1 86 6 ．8 1 86 6 ．8 1 8 0 2 2 7 ．1 6 01 6 6 ．6 5 66 ．8 8 3 S i7 5 ．4 0 900 P 1 ．5 9 802 ．6 8 7 C a4 0 ．0 2 100 M n2 6 ．0 6 900 F e 7 5 ．9 7 800 A s2 ．4 0 00 0 M o2 ．4 1 700 2 6 8 ．2 2 1 1 8 4 ．0 0 68 5 2 ．9 2 68 5 2 ．9 2 68 5 2 ．9 2 6 007 5 ．4 0 97 5 ．4 0 9 7 5 ．4 0 9 0 04 ．2 8 54 ．2 8 54 ．2 8 5 004 0 ．0 2 14 0 ．0 2 1 4 0 ．0 2 1 0 02 6 ．0 6 92 6 ．0 6 92 6 ．0 6 9 0 07 5 ．9 7 87 5 ．9 7 87 5 ．9 7 8 002 ．4 0 02 ．4 0 0 2 ．4 0 0 002 ．4 1 72 ．4 1 72 ．4 1 7 W 3 4 8 ．9 4 60000 3 4 8 ．9 4 63 4 8 ．9 4 63 4 8 ．9 4 6 3 模型的验证及其应用分析 3 ．1 模型验证 钨冶炼的碱煮工序最重要的指标是W O 。的浸 出率，直接关乎企业的生产效率，温度为 1 2 5 1 0 ℃、反应时间为2 4 0r a i n 、碱用量是理论用量的2 ．8 倍时，利用已经建立的基于M E T S I M 的球磨一碱 煮工序工艺流程模拟系统模拟该部分工序，将模拟 的结果与钨冶炼厂的实际冶炼数据进行对比，结果 如图3 所示。 最终浸出结束时，W O 。浸出率的模拟数据为 9 9 ．1 3 ％，实际生产数据为9 8 ．8 3 ％，模拟数据与实 际数据的相对误差是0 ．3 5 ％；碱煮后液N a O H 浓度 的模拟数据为4 ．3 1 75m o l ／k g ，实际数据为4 ．3 4 60 m o l ／k g ，二者的相对误差是0 ．6 6 ％。上述两个相对 误差都在工程允许的范围内，这证明了基于 M E T S I M 的球磨一碱煮工序工艺流程模拟系统的 葶 ＼、 斟 三了 蜊 呈 图3 模拟数据与实际数据对比曲线 F i g , 3C o m p a r i s o no fs i m u l a t e dd a t aa n dr e a ld a t a 正确性与可靠性。 3 ．2W O 。浸出过程中碱浓度与w 0 3 浸出率的变化 规律 通过建立的球磨一碱煮工序工艺流程模拟系统 得到图4 所示的反应过程中碱浓度与W O 。浸出率 曲线。 』363量一一“一虬三269|“一∞一C； 垂础 万方数据 2 0 1 6 年第6 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 7 时间／r a i n 图4 反应过程中碱浓度与w 0 3 浸出率的变化曲线 F i g ．4 C u r v e so fa l k a l ic o n c e n t r a t i o na n dW 0 3 l e a c h i n gr a t ei nr e a c t i o np r o c e s s 由图4 可以直观地看出，在W O 。的浸出过程 中，随着浸出反应进行，N a O H 的浓度在逐渐降低， 直至1 5 0m i n 之后，N a O H 的浓度开始保持很小的 变动，在1 5 0m i n 时碱浓度为4 ．3 5 84 0m o l ／k g ，此 时的W O 。浸出率为9 8 ．1 2 ％；在1 8 0m i n 时碱浓度 为4 ．3 2 72 7 m o l ／k g ，W O 。的浸出率为9 8 ．8 9 ％。这 说明在1 5 0m i n 之后浸出反应基本达到反应的终 点，压煮釜内一直保持浸出反应与其逆反应之间的 平衡。通过该曲线，工艺设计人员可以了解整个碱 压煮过程中W O 。浸出曲线与碱浓度的关系，为改善 工艺设计提供依据。 4结论 1 基于M E T S I M 的钨冶炼球磨一碱煮工序的 工艺流程模拟系统可以模拟实际生产中钨冶炼球 磨一碱煮工序，而且模拟的结果误差在工程容许的 范围内，可靠性强。 2 采用M E T S I M 软件对钨冶金球磨一碱压煮 工艺流程建立模型之后，可获得每股物流的详细信 息，为以后进行生产实践中的工艺放大设计以及设 备选型提供理论依据；通过物料衡算，使设计人员获 得W O 。在各股物流中的主要存在形式。 3 通过模型计算得出W O 。浸出过程中碱浓度 与W O 。浸出率的变化曲线，可以为设计人员提高 W O 。的浸出率以及优化工艺设计提供参考依据。 参考文献 [ 1 ] 谭靓慧，杨宁，葛蔚．流程模拟软件S y s C A D 及其在过程 工业中的应用[ J ] ．计算机与应用化学，2 0 0 9 ，2 6 1 0 1 2 1 8 1 2 2 7 ． [ 2 ] 李洪涛，何英华，朱丽娜，等．常用化工流程模拟软件发 展概述[ J ] ．化工技术与开发，2 0 1 5 ，4 4 1 2 9 3 1 ． E 3 ] 刘宽，王铁刚，曹祖宾，等．化工流程模拟软件的介绍与 对比口] ．当代化工，2 0 1 3 ，4 2 1 1 1 5 5 0 - 1 5 5 3 ． [ 4 ] 宋静，齐涛，曲景奎，等．流程模拟软件在提取冶金中的 应用进展I - J ] ．计算机与应用化学，2 0 1 1 ，2 8 1 1 1 1 6 ． I - 5 - 1H E R N A N D E ZP ，M A R I AET ，T E O F I L OAG ，e ta 1 ． C r y s t a l l i z a t i o n o f H y d r a t e dF e r r i cA r s e n a t e P r o c e s s D e s i g nU s i n gM E T S I MI - J ] ．I n d ．E n g ．C h e m ．R e s ．， 2 0 0 9 ，4 8 2 3 1 0 5 2 2 1 0 5 3 1 ． [ 6 ] P I M P O R NC ，K A T T I Y A P O NC ，C H U A C H U E N S U K A ，e ta 1 ．P e r f o r m a n c eA n a l y s i so faS m e l t i n gR e a c t o rf o r C o p p e rP r o d u c t i o nP r o c e s s E J ] ．I n d ．E n g ．C h e m ．R e s ．， 2 0 0 9 ，4 8 3 1 1 2 0 - 1 1 2 5 ． [ 7 ] W A N GM i n g ，C H E NQ i m i n g ．A p p l i c a t i o no fM E T S I M S o f t w a r ei nM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n gD e s i g n [ J ] ．R a r e M e t a l sa n dC e m e n t e dC a r b i d e s ，2 0 0 9 ，3 7 4 1 3 9 1 5 2 ． [ 8 ] 孙宁磊，董爱国，殷书岩，等．M e t s i m 软件在氧化铜矿湿 法浸出项目中的应用[ J ] ．中国有色冶金，2 0 1 3 ，4 2 4 3 1 - 3 3 ． [ 9 ] 廖立乐，郭学益，王亲猛，等．基于M E T S I M 氧气底吹炼 铜工艺性能分析[ J ] ．有色金属科学与工程，2 0 1 4 ，5 5 5 l 一5 8 ． E l O ] 吕页清，郑诗礼，王少娜，等．M E T S I M 在亚熔盐铬盐清 洁生产工艺流程设计中的应用[ J ] ．过程工程学报， 2 0 1 3 ，1 3 1 9 9 1 0 4 ． [ 1 1 ] 吕页清，郑诗礼，王少娜，等．M E T S I M 在亚熔盐法钒渣 清洁生产工艺流程设计中的应用口] ．过程工程学报， 2 0 1 3 ，1 3 2 2 7 0 2 7 4 ． [ 1 2 ] 王明，谌启明．M E T S I M 冶金过程模拟系统在工程设计 中的应用[ J ] ．稀有金属与硬质合金，2 0 0 9 ，3 7 4 6 4 6 7 ． 万方数据