响应曲面优化微波干燥铅渣的工艺研究.pdf

2 0 1 2 年1 2 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 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 2 ．1 2 ．0 0 2 5 响应曲面优化微波干燥铅渣的工艺研究 李健，张利波，彭金辉，刘秉国，周越，郭磊，刘晨辉，王亚健 昆明理工大学冶金与能源工程学院 云南省复杂有色金属资源清洁利用 ，非常规冶金教育部重点实验室 国家重点实验室，昆明6 5 0 0 9 3 摘要采用微波加热技术对铅渣进行脱水。通过响应曲面法中心组合设计分析了干燥温度、干燥时间、 物料厚度对脱水率的影响，并建立了相关的数学模型。方差分析表明，二次方数学模型拟合较好，物料 厚度、干燥温度对脱水率的影响较干燥时间更为显著。优化工艺参数为干燥温度9 3 ℃，干燥时间1 0 r a i n ，物料厚度1 9m i t t ，相对脱水率达到6 8 ．2 1 ％，实际值与模型预测值相差0 ．7 3 个百分点，干燥后铅渣 的含水量为8 ．1 2 ％，可以满足后序工艺要求。 关键词微波干燥；铅渣；响应曲面法；优化 中图分类号T F S l 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 2 1 2 - 0 0 0 5 0 4 O p t i m i z a t i o no fM i c r o w a v eD r y i n go fL e a dS l a gw i t h R e s p o n s e S u r f a c eM e t h o d o l o g y L 1J i a n ，Z H A N GL i b o ，P E N GJ i n h u i ，L I UB i n g g u o ，Z H o UY u e ， G U oL e i ，L I UC h e n h u i ，W A N GY a ji a n F a c u l t yo fM e t a l l u r g ya n dE n e r g yE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU 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 ；K e yL a b o r a t o r yo f U n c o n v e n t i o n a lM e t a l l u r g y ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ；S t a t eK e yL a b o r a t o r yB r e e d i n gB a s eo fC o m p l e xN o n f e r r o u s M e t a lR e s o u r c e sC l e a n i n gU t i l i z a t i o ni nY u n n a nP r o v i n c e ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t An e wt e c h n o l o g yo fm i c r o w a v eh e a t i n gw a sa p p l i e dt od r yl e a ds l a g ．T h ee f f e c t so fd r y i n gt e m p e r a t u r e ，d r y i n gd u r a t i o na n dm a t e r i a lt h i c k n e s so nt h ed e h y d r a t i o nr a t eo fl e a ds l a gw e r ei n v e s t i g a t e db y m e a n so ft h er e s p o n s es u r f a c e R S M c e n t r a lc o m p o s i t ed e s i g n C C D ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a s e s t a b l i s h e d ．A sc a nb es e e nf r o mt h eA N o V ，q u a d r a t i co fm a t h e m a t i c a lm o d e li sb e t t e rt h a no t h e r si n t e r m so fg o o d n e s so ff i t ．T h em a t e r i a lt h i c k n e s sa n dt e m p e r a t u r ea r ef o u n dt oe x e r tm o r es i g n i f i c a n te f f e c t s o nt h ed e h y d r a t i o nr a t et h a nd r y i n gd u r a t i o n ．T h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rd y i n gw i t hm i c r o w a v er a d i a t i o n i n c l u d et e m p e r a t u r eo f9 3 ℃。d u r a t i o no f1 0m i na n dm a t e r i a lt h i c k n e s so f1 9m m ．T h e o p t i m u md e h y d r a t i o nr a t ei s6 7 ．4 8 ％w i t ht h er e l a t i v e l ye r r o ro fJ u s t0 ．7 3p e r c e n t a g ep o i n t ．T h em o i s t u r ec o n t e n ta f t e rd r y i n gi s l e s st h a n8 ．12 ％，w h i c hs a t i s f i e st h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t so ff o l l o w i n gp r o c e s s e s ． K e yw o r d s m i c r o w a v ed r y i n g ；1 c a ds l a g ；r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o I o g y R S M ；o p t i m i z a t i o n 在湿法炼锌过程中，锌灰浸出会产生大量的铅窑干燥和蒸汽干燥，但回转干燥窑存在着能源大量 ，这些铅渣中含有大量的水分，在返回烟化炉处理浪费、干燥时间长、烟气污染、操作环境差等问题Ⅲ； 必须将一部分水分脱除。目前一般采用回转干燥而蒸汽干燥过程Ⅲ的加热不均匀，靠近转筒壁处温 收稿日期2 0 1 2 - 0 6 1 l 基金项目云南省省院省校合作专项 2 0 0 9 A D 0 0 2 作者简介李健 1 9 8 6 一 ，男，吉林白城人，硕士研究生；通讯作者张利波 1 9 7 7 ，男，河南济源人，教授 渣前 万方数据 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 2 年1 2 期 度较高的缺点。因此开发新的铅渣干燥工艺具有重 要意义。微波作为一种绿色加热技术，具有选择性 加热和内部加热特点口] 。且干燥过程中温度梯度方 向和水分梯度的方向相同，传热和传质方向一致，因 此干燥时问大大缩短[ 4 ] 。为防止物质在干燥过程中 因温度过高而发生化学变化，本文采用响应曲面优 化设计方法，对铅渣进行微波控温干燥，探讨了控温 条件下干燥温度、干燥时间和物料厚度对相对脱水 率的影响。 1试验部分 1 ．1 试验原料和设备 试验原料为锌灰浸出的铅渣，化学成分 湿 基，％ Z n7 ～1 1 、P b2 0 ～3 5 、C u0 ．5 ～1 。0 、S1 4 ～ 1 4 、水分2 3 ．0 9 。 干燥设备采用自主研制的箱式微波反应器，频 率24 5 0M H z ，功率 0 ～3k W ，连续可调，并且温 度可控。 1 ．2 脱水率的计算 以湿基为基准来计算物料的脱水率计，可通过 下式计算 7 7 一 W l W 。 ／ W 1 口 1 0 0 ％ 1 式中，w 。是物料的初始质量；W 。是微波干燥t 时刻的物料质量；a 是物料初始的含水量，2 3 ．0 9 ％。 1 ．3 响应曲面优化设计 选取对铅渣相对脱水率影响较大的于燥时间 X 。 、物料厚度 X t 和干燥温度 X 。 为独立因素，相 对脱水率 7 作为响应值，采用中心组合设计 C C D 进行优化设计。试验所用的二次多项式模型如 2 式所示。 n” ，一∑屈z ∑ z 。2 ∑风3 7 3 7 ， 硒 2 l 一1i Ii F ”值小于0 ．0 5 ，则该变量对响 应值有显著影响。因此，根据表3 的结果，小、洳、 X 。、妙X ，、始2 对脱水率影响显著。但洳、 。的影响是 最大的，说明物料厚度和干燥温度对相对脱水率的 影响较干燥时间更为显著。 图1 为相对脱水率预测值与实际值的对比图。 ％‘’{ ≮孑≤i 素篙 图1相对脱水率预测值与实际值对比 F i g ．1P r e d i c t e d 垤e x p e r i m e n t a l r e l a t i v ed e h y d r a t i o nr a t e 由图1 可知，所选模型的预测值与实际值很相 符。 2 ．3 响应面分析 为更直观地反应各因素及交互作用对相对脱水 率的影响，依据统计学对回归系数进行计算，回归模 型的三维响应曲面见图2 。 图2 干燥温度、干燥时间、物料厚度及其交互作用对相对脱水率的影响 F i g ．2 T h ei n t e r a c t i v ee f f e c t so f d r y i n gt e m p e r a t u r e ，t i m ea n dt h i c k n e s s o fm a t e r i a lo nr e l a t i v ed e h y d r a t i o nr a t e 由图2 a 可看出，随着厚度的减小，时间的延长， 相对脱水率逐渐提高。从图中可明显看出，厚度对 脱水率的影响比时问显著。这是由于微波将物料迅 速整体加热，物料表面水分迅速除去，但表面会有团 聚现象，厚度增加了，表面物料团聚的厚度也随着增 加，致使底部物料水分移除必须通过表面团聚物料 的阻碍；另一方面随着厚度增加，物料由内到外的温 度梯度也随着增大。 图2 b 表明，温度对相对脱水率的影响比厚度的 影响更明显。这是因为物料温度在低于水的沸点时 实验室水的沸点为9 3 ℃ 水分主要是以蒸发形式 散失；当温度高于沸点时，水分迅速变成水蒸气扩散 到空气中。 图2 c 可看出，在1 0m m 厚度的条件下，8 0 ℃时 相对脱水率为3 0 ％，但随着温度升高到1 0 0 ℃时， 相对脱水率已经达到1 0 0 ％。而在3 0m m 厚度的 条件下，8 0 ～1 0 0 ℃间的相对脱水率变化不大。因 此可知，厚度较小的情况下，温度对相对脱水率的影 响较大，随着厚度的增加，升高温度对相对脱水率的 影响逐渐减小。 2 ．4 条件优化及验证 采用响应曲面法对表1 的结果进行优化，可以 得到优化后的工艺参数为干燥时间9 ．9 7m i n 、物 下转第1 2 页 一一～一～一～一一一一一一～一一 一 一一一一～一～一一一～一一 万方数据 1 2 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 2 期 反应产物为M n 。0 。，第二步反应产物为M n 。0 。。 2 第一步分解反应机理表达式为 玉／破一 3 ．9 6 1 0 9 ／盘 1 一口 e 1 9 6 X ] ∥／盯 3 第二步分解反应机理表达式为 d a ／d t 一 3 ．2 8 1 0 2 4 ／p e 一2 8 1 1 0 。／R T 3 ／2 1 ～a [ 一i n 1 一口 ] m 4 二氧化锰低温分解第一步反应为～级简单反 应，符合M a m p l e 单行法则动力学机理特征，第二步 反应符合A v a r a m l E r o f e e v 方程动力学机理特征， 两步反应反应机理均为随机成核和随后生长。 符号说明 Ⅳ。、W T 、W 。。分别为反应物的初始质量、丁温度 处质量和反应结束处质量，g ；A W r 、△w 。。分别为反 应物T 温度处和反应结束处失重量，g ；J 9 为升温速 率，K ／r a i n ；丁为温度，K ；t 为时间，s ；口为反应转化 率或失重率，％；忌为反应速率常数；E 为表观反应 活化能，k J ／m o l ；A 为频率因子或指前因子；咒为反 应级数；R 为相关性系数；f a 为反应机理函数微分 形式；G a 为反应机理函数积分形式。 参考文献 E l i 张文山，李基发，梅光贵，等．云南二氧化锰矿制取电解 金属锰试验研究[ J ] ．中国锰业，2 0 1 1 ，2 9 3 2 4 2 7 ． [ 2 3 徐建伦，蒋国昌，徐匡迪．含碳预还原锰球团的应用研 究[ J ] ．湖南冶金，1 9 8 9 ，3 2 6 - 1 0 ． E a ] 粱英教，车荫昌．无机物热力学数据[ M ] ．沈阳东北大 学出版社，1 9 9 3 2 3 2 ． [ 4 ] 胡荣祖，史启祯．热分析动力学[ M ] ．北京科学出版 社，2 0 0 1 2 1 - 1 4 6 ． [ 5 ] 殷敬华，莫志深．现代高分子物理学 下册 [ M ] ．北京 科学出版社，2 0 0 1 6 3 3 - 6 3 6 ． E 6 ] 张国春，焦宝娟，周春生．等．C 。H 。O 。N N a 。H O 脱水 过程的热分析动力学[ J ] ．西北大学学报自然科学版， 2 0 1 l ，4 1 3 4 4 8 4 5 4 ． E 7 ] 谷双，陈纪忠．竹材热解失重动力学模型研究[ J ] ．高校 化学工程学报，2 0 1 1 ，2 5 2 2 3 2 2 3 5 ． 上接第7 页 料厚度1 8 ．5 5m m 、干燥温度9 2 ．9 9 ℃，此时相对脱 水率的预测值为6 7 。4 8 ％。 为检验响应曲面法优化的可靠性，再考虑到实 际操作中达不到如此精确，因此选定干燥时间1 0 r a i n ，物料厚度1 9r f l m ，于燥温度9 3 ℃进行优化工 艺试验。共进行三组平行试验，相对脱水率平均 6 8 ．2 1 ％，与预测值的差只有0 ．7 3 个百分点，说明响 应曲面法优化得出的工艺条件是有效的。此时铅渣 含水率为8 ．1 2 ％。 3结论 1 采用中心组合设计拟合得到的模型能够解释 各参数及相互作用对响应值的作用，具有良好的预 测作用，干燥时间、干燥温度和物料厚度对微波干燥 铅渣影响显著。其中物料厚度和干燥温度的影响程 度优于干燥时间。 2 响应曲面法得到的最佳条件为物料厚度1 9 m m ，干燥时间1 0r a i n ，干燥温度9 3 ℃，在该条件下 相对脱水率达到6 8 ．2 1 ％，此时湿基含水率为 8 ．1 2 ％。 3 微波干燥铅渣工艺具有可行性，能够快速完 成干燥过程，环境友好。 参考文献 E l i 方琼．铅渣干燥污染源治理口] ．环境工程，2 0 0 2 ，2 0 2 7 7 7 9 ． [ 2 ] 赵福生．国产蒸汽干燥机在铜冶炼行业中的应用与实 践[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 9 2 4 6 4 9 ． [ 3 ] 潘永康，王喜忠，刘相东．现代干燥技术[ M ] ．2 版．北 京化学工业出版社，2 0 0 7 5 1 5 5 1 6 ． E 4 ] 祝圣远，王国恒．微波干燥原理及其应用[ J ] ．工业炉， 2 0 0 3 ，2 5 3 4 24 5 ． E 5 3K o r b a h t iBK ，R a MMA ．D e t e r m i n a t i o no fo p t i m u m o p e r a t i n g c o n d i t i o n so fc a r m i n ed e c o i o r a t i o n b y U V ／ H 20 2u s i n gr e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y [ J ] ．H a z a r d M a t e r ，2 0 0 9 ，1 6 1 1 2 8 1 2 8 6 ． [ 6 jI 。i mP ．O p t i m i z a t i o no ft h er o u g hc u t t i n gf a c t o r so fj m p e l l e r w i t hf i v e - a x i sm a c h i n e u s i n gr e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d o l o g y [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fA d v a n c e d M a n u f a c t u r l n gT e c h o d o l o g y ，2 0 0 9 ，4 5 7 ／8 8 2 1 - 8 2 9 ， [ 7 ] H a b i bSS ．S t u d yo ft h ep a r a m e t e r si ne l e c t r i c a ld i s e h a r g em a c h i n i n gt h r o u g hu s i n gr e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g ya p p r o a c h [ J ] ．A p p l i e dM a t h e m a t i c a lM o d e l l i n g ， 2 0 0 9 ，3 3 1 2 4 3 9 7 4 4 0 7 ． 万方数据