一种有限组分两出口体系静态串级萃取理论设计计算方法技术

本发明专利技术公开了一种有限组分两出口体系静态串级萃取理论设计计算方法，本发明专利技术的主要目的是为有限组分两出口体系的串级萃取分离工艺，提供一种科学的静态理论设计计算方法。本发明专利技术的设计能够节约大量的实验资金和实验时间。采用本发明专利技术创造的理论和算法设计出的串级萃取分离工艺优化工艺技术参数准确、可靠，与生产实际相符；除实际流量和级数n、m需要进行一步放大外，其他的工艺技术参数不需要修正都可直接应用。编程后，在普通的电脑上的计算速度都可舜间完成。因此，可使串级萃取分离生产工艺实现在线智能无人自动控制成为可能。

【技术实现步骤摘要】
一种有限组分两出口体系静态串级萃取理论设计计算方法
本专利技术涉及萃取理论设计计算方法
，尤其涉及一种有限组分两出口体系静态串级萃取理论设计计算方法。
技术介绍
二十世纪70年代，北京大学徐光宪先生首先提出了可用于稀土分离的两组分两出口体系串级萃取理论，并解决了简单(特殊)的两组分两出口体系串级萃取理论静态设计计算问题，并发展了串级萃取的计算机静态设计和动态仿真技术，实现了稀土分离工艺设计参数“一步放大”到工业规模生产，从而促进了我国稀土分离工业的高速发展。徐光宪先生提出的串级萃取理论(参见：徐光宪，稀土(上)，北京：冶金工业出版社，1995)。基于简单的两组分两出口体系，推导出了：最小萃取量和最小洗涤量代表给定分离过程所需的化工试剂理论最小消耗量，尽可能接近理论最小萃取量和最小洗涤量是稀土分离工艺设计的重要内容。早期的串级萃取理论给出了两组份分离所需的理论最小萃取量和最小洗涤量的计算公式，但并不能准确适用大于两组分的分离体系，而大于两组分的分离体系却是稀土分离体系中最常见、最普遍的分离体系。因此，上世纪末，北京大学萃取理论界提出了“完善徐光宪先生的串级萃取理论”的重大研究课题，在我国的萃取理论界和科研人员中一时掀起了串级萃取理论研究高潮，也发表了许多的研究成果。因为，这一时期的研究大多都是在基于徐光宪先生两组分体系串级萃取理论的相邻分离系数模型的基础上进行理论研究，因此，碰到了许多难以克服的困难，如：1.在分离体系中的组分数多于两组分时，因为组分之间存在推拉效应，分离体系中组分之间分离系数实际上会大于或等于两组分条件下测定的相邻分离系数，存在较大的误差，而已经发表的许多研究成果中，提出了各种各样所谓的等效分离系数计算法，希望套用徐光宪先生的两组分两出口体系串级萃取分离理论计算方法来解决大于两组分两出口体系的理论设计，最终都没有成功。后来，北大一些学者，采用相邻分离系数的数学模型进行多组分分离体系的研究，却又发现一些了新的问题。2.随着对相邻分离系数的数学模型深入研究，发现随着组分数的增加平衡关系越来越复杂，致使理论研究的平衡关系式表述越来越复杂(参见：徐光宪，稀土(上)，北京：冶金工业出版社，1995672-676)。我们在研究时发现采用相邻分离系数模型研究大于两个组分的分离体系时，是导致平衡关系式表述越来越复杂主要原因。3.另是采用相邻分离系数的数学模型进行多组分分离体系的研究，在计算两端出口组分的组成和各级的萃取平衡组成时，一个t组分的体系就是在不断解t次方程几十次的过程，如果采用遂级递推仿真计算法，并搜索找到最优化的工艺参数，就必须再增几十倍的不断解t次方程几十次的过程，不仅计算复杂且耗时，更重的是，该法微量组分的计算结果可精算到负几十次方(实践中并不可能这么小)，因此，看似计算很精确，却与生产实践结果不符；因为，萃取分离工艺目前能够达到的产品纯度最高为99.9999％左右。而十多个其他稀土的微量组分基本上都检测得到，即微量组分一般都在10^-5至10^-7之间。因为精确设计计算法还存在上述难以一时跨过理论问题，所以，一部分学者干脆采用徐光宪先生推导出最小萃取量和最小洗涤量极限公式进行近似工艺参数设计，如：专利201810183244.6，一种多组分联动萃取分离流程设计系统及设计方法，就是采用最小萃取量和最小洗涤量极限公式进行近似工艺参数设计，当然，所设计的工艺参数也是近似的、不优化的。由此可见，我国稀土之父徐光宪先生遗留下的“完善串级萃取理论”研究的课题，也可以说是萃取分离领域的一座很高的山峰，想登顶需要更大的勇气和更多的付出才有可能。虽然已有的许多研究成果提供的一些方法可以用于稀土萃取分离流程的工艺参数设计，但所得到的所谓优化工艺参数，往往与实际生产中所得到的优化工艺参数仍然有一定的误差，需要在实际生产中进行许多次的修正才行。我们认为这些误差的来源主要有以下两个方面：其一，是相邻分离系数的数学模型不适合研究大于两组分的分离体系；其二，是已有的研究溶剂串级萃取理论，在多组分分离体系中分离系数的处理方法不科学或不合理带来的误差，如：简单采用相邻分离系数点乘积代替多组分分离体系中的分离系数；是设计计算结果误差主要来源。因为目前已有的研究溶剂串级萃取理论，在结果设计精度和计算速度上都不能满足在线智能无人自动控制的要求，因此，溶剂串级萃取分离生产线至今仍然是人工或半自动化控制为主，离智能制造分离出稀土元素产品还有较大的难度和一段很长的路程。
技术实现思路
本申请提供了有限组分两出口体系静态串级萃取理论设计计算方法，解决的
技术介绍
中的技术问题。有限组分两出口体系静态串级萃取理论设计计算系统，系统包括数据输入处理模块、萃取体系中相对分离系数计算处理模块、两端出口组分组成的精确计算模块、逐级递推计算工艺参数及优化判断选择模块、优化工艺参数的“一步放大”和各进出口流量换算输出模块等五个模块组成；数据输入处理模块，用于已知和规定数据的输入，包括待分离组分数N，切割位置序号L，待分离的组分Q1、Q2、Q3、…、QN的重量百分比含量、待分离组分的相邻分离系数，在所使用的萃取体系中按萃取能力顺序，从难到易依次输入；以及两端出口产品的摩尔纯度PB1和要求或收率RB和RA要求四个分离指标中任意两个分离指标和工艺所需使用原辅材料摩尔浓度等；萃取体系中相对分离系数计算处理模块，依据已知相邻分离系数和在实际萃取分离工艺各级中的有效相邻分离系数的规律对相对分离系数进行计算处理；两端出口组分组成的精确计算模块，依据物料进出平衡、萃取分配平衡原则和相对分离系数规律，用于两端出口组分组成的精确计算；逐级递推仿真计算工艺参数及优化判断选择模块，在相对分离系数数学模型上建立了逐级递推仿真计算方法和算法；优化工艺参数的“一步放大”和各进出口流量换算输出模块，用于将工艺参数放大并将流量换算后进行输出。优选的，所述的数据输入计算处理，主要是计算输出各待分离组分的归一化摩尔分数fi、难和易萃组分的摩尔分数fb和fa、两端出口的的摩尔分数和以及另外未知的两个分离指标；其中，待分离组分数N≥2、切割位置序号1≤L≤N-1、待分离组分数序号1≤i≤N、相邻分离系数(βi+1/i)，令βi/i＝1、而萃取段相对分离系数(β1/i)，洗绦段相对分离系数(βi/N)。以及计算两端出口产品时，用到的微量组分之间的相对分离系数(βL+1/i)和(βi/L)。优选的，萃取体系中相对分离系数计算处理模块，根据已知相邻分离系数在实际萃取分离工艺各级中相对分离系数获得一套萃取体系中相对分离系数计算方法和公式，设任意级中的组成如下为：根据溶剂萃取平衡理论相邻分离系数的定义有：根据溶剂萃取平衡理论相对分离系数的定义有：相对于第一组份时，适应于从第一级向后递推计算：或相对于最后的N组份时，适应于从最后级向前递推计算：在实际的分离体系中，理论研究和实践都证明各功能段或级中，存在过量萃取、等量萃取(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有限组分两出口体系静态串级萃取理论设计计算系统，其特征在于：/n系统包括数据输入处理模块、萃取体系中相对分离系数计算处理模块、两端出口组分组成的精确计算模块、逐级递推仿真计算工艺参数及优化判断选择模块、优化工艺参数的“一步放大”和各进出口流量换算输出模块等五个模块组成；/n数据输入处理模块，用于已知和规定数据的输入，包括待分离组分数N，切割位置序号L，待分离的组分Q1、Q2、Q3、…、QN的重量百分比含量、待分离组分的相邻分离系数，在所使用的萃取体系中按萃取能力顺序，从难到易依次输入；以及两端出口产品的摩尔纯度P

【技术特征摘要】
1.一种有限组分两出口体系静态串级萃取理论设计计算系统，其特征在于：
系统包括数据输入处理模块、萃取体系中相对分离系数计算处理模块、两端出口组分组成的精确计算模块、逐级递推仿真计算工艺参数及优化判断选择模块、优化工艺参数的“一步放大”和各进出口流量换算输出模块等五个模块组成；
数据输入处理模块，用于已知和规定数据的输入，包括待分离组分数N，切割位置序号L，待分离的组分Q1、Q2、Q3、…、QN的重量百分比含量、待分离组分的相邻分离系数，在所使用的萃取体系中按萃取能力顺序，从难到易依次输入；以及两端出口产品的摩尔纯度PB1和要求或收率RB和RA要求四个分离指标中任意两个分离指标和工艺所需使用原辅材料摩尔浓度等；
萃取体系中相对分离系数计算处理模块，依据已知相邻分离系数和在实际萃取分离工艺各级中的有效相邻分离系数的规律对相对分离系数进行计算处理；
两端出口组分组成的精确计算模块，依据物料进出平衡、萃取分配平衡原则和相对分离系数规律，用于两端出口组分组成的精确计算；
逐级递推仿真计算工艺参数及优化判断选择模块，在相对分离系数数学模型上建立了逐级递推仿真计算方法和算法；
优化工艺参数的“一步放大”和各进出口流量换算输出模块，依据实际进料量，在理论进料量和级数的基础上，进行工艺参数“一步放大”到实际工艺操作流量后进行输出。


2.根据权利要求1所述的一种有限组分两出口体系静态串级萃取理论设计计算系统，其特征在于：
所述的数据输入计算处理，主要是计算输出各待分离组分的归一化摩尔分数fi、难和易萃组分的摩尔分数fb和fa、两端出口的的摩尔分数和以及另外未知的两个分离指标；其中，待分离组分数N≥2、切割位置序号1≤L≤N-1、待分离组分数序号1≤i≤N、级数序号1≤k≤n或m、相邻分离系数(βi+1/i)，令βi/i＝1、而萃取段相对分离系数(β1/i)，洗绦段相对分离系数(βi/N)，以及计算两端出口产品时，用到的微量组分之间的相对分离系数(βL+1/i)和(βi/L)。


3.根据权利要求1所述的一种有限组分两出口体系静态串级萃取理论设计计算系统，其特征在于：
萃取体系中相对分离系数计算处理模块，根据已知相邻分离系数在实际萃取分离工艺各级中相对分离系数推导出一套萃取体系中相对分离系数计算方法和公式，设任意级中的组成如下为：






根据溶剂萃取平衡理论相邻分离系数的定义有：



根据溶剂萃取平衡理论相对分离系数的定义有：
相对于第一组份时，适应于从第一级向后递推计算：



或相对于最后的N组份时，适应于从最后级向前递推计算：



在实际的分离体系中，理论研究和实践都证明各功能段或级中，存在过量萃取、等量萃取或等量洗涤、过量洗涤三种不同的萃取状态，建立的萃取理论模型也必须符合生产实际，因此，必须采用各功能段或级中的实际相对分离系数建立数学模型和静态设计算法；
对于待分离组分N>2的有限组分萃取分离体系中，因存在组分之间的推拉作用，实际相邻分离系数并不等于在简单的两组分时，测得的已知相邻分离系数；为了方便描述，引入了有效相邻分离系数的概念，便于描述相对分离系数与已知相邻分离系数之间的关系；
所谓的相邻分离系数一般是指待分离组分数N＝2时，经较长时混合澄清后测定在完全平衡状态下的两相组成，计算得到的一种分离系数。待分离组分数N＝2时，因不存在组分之间的推拉作用，因此，是萃取分离体系中的一个特例，所以在上述三种不同的萃取状态中的平均相邻分离系数和相对分离系数相等，在各级中变化不大，一般可视为常数。而在待分离组分数N>2时，因存在组分之间的推拉作用，分离工艺中己知的平均相邻分离系数在各级中有一定的变化，这是一种普遍现象。因此，根据槽体所处的萃取状态，我们建立了适用待分离组分数N≥2普遍和特殊分离体系的相对分离系数计算数学模型，可以利用已知平均相邻分离系数在不同级和功能段内的变化规律，推导出在不同级和功能段内的有效相邻分离系数后，再分別计算出各级中的相对分离系数；方法如下：
所谓的有效相邻分离系数是针对微量组分在两相中的分配平衡提出的，当两端出口产品都为纯产品时，因为微量组分作为杂质组分本身就很微小，在两相中的分配Xi和Yi值之差也很微小，这时可以近似认为Xi≈Yi不能分离，即微量元素之间的有效相邻分离系数为：



第1、n、n+m级，所述的进、出料级中实际为等量萃取或等量洗涤现象，如第1级中，为等量洗B组分第n级中水相进料时是等量萃A组分或有机相进料时等量洗B组分第n+m级中是等量萃A组分此时，有效相邻分离系数恒等于两组分时的相邻分离系数，即：
相对分离系数的计算通式为：
同理，水相出口级中的易萃微量组分之间相对分离系数为：



而在除第1、n、n+m级外的其它级中,有效相邻分离系数不等于已知两组分时的相邻分离系数,即：
在第2至n-1级，所述的萃取段内各级实际为过量萃取现象，此时，各级中易萃A组分或(其中有效萃取量：水相进料时有机相进料时)，因此，易萃组分之间几乎没有分离效果，即有效相邻分离系数可视为等于1，即有而其它的组分之间的能有效分离，所以有效相邻分离系数恒等于两组分时的相邻分离系数，即将有效相邻分离系数代入(7)式，计算第2至n-1级的相对分离系数。
第n+1至n+m-1级，所述的洗绦段内各级实际为过量洗绦现象，此时，各...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁永权，丁汀，
申请(专利权)人：萍乡楚峰科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36