湿法冶金锂离子电池回收过程模拟方法技术

本发明专利技术公开了湿法冶金锂离子电池回收过程模拟方法，利用Aspen Plus软件针对锂离子电池的湿法冶金回收过程搭建模拟流程，包括酸溶、除杂、沉淀以及电渗析模块的计算模型；其中，电渗析模块的模型采用化学计量反应器Rstoic模型替代；采用COMSOL软件对电渗析的过程进行CFD模拟，具体过程包含几何建模，网格划分，边界条件设定，计算求解，获得Li2SO4的处理效率η；将Li2SO4的处理效率η和Aspen Plus的计算模拟过程结合；本发明专利技术解决了Aspen plus中的用户自定义模块编程和兼容困难的问题，利用COMSOL对电渗析过程进行计算，免去了编程困难的问题，而且模拟的结果更加可靠。而且模拟的结果更加可靠。而且模拟的结果更加可靠。

【技术实现步骤摘要】
湿法冶金锂离子电池回收过程模拟方法


[0001]本专利技术具体涉及一种湿法冶金锂离子电池回收过程模拟方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池主要由锂、镍、钴、锰、铝、铜等金属组成，其中锂、镍、钴、锰等金属的质量占锂离子电池总质量的25％，占锂离子电池很大一部分质量，而且这些金属的价格昂贵、地球上的含量较少。随着新能源汽车的发展，锂离子电池的产量也逐渐增加，锂离子电池的报废量也与日俱增。如果对这些锂离子电池中的可回收金属不加以处理，不仅会限制新能源汽车的发展，而且会造成地球资源的枯竭。
[0003]当今锂离子电池回收技术主要集中在湿法冶金、火法冶金、电化学回收以及这些方法的组合。电化学回收方法以前主要用于污水处理、海水淡化等方面，随着电化学回收技术不断成熟，电化学的回收过程也逐渐应用于锂离子电池回收的过程，且回收过程无污染物排放、回收效率较高。而这些回收技术都主要是用实验手段实现的，而实验回收的实验周期长，且实验往往是小规模实验，无法真实体现大规模回收的锂离子电池回收流程。流程模拟软件发展至今，主要用于石油冶炼，铜矿、锌矿等湿法冶金采集过程的模拟，对锂离子电池的回收流程模拟屈指可数。而湿法冶金的锂离子电池回收流程与铜矿、锌矿的原理方法几乎相同，采用流程模拟软件针对锂离子电池贵金属的回收流程进行模拟，可以像铜矿、锌矿采集的模拟一样，预测其大规模的回收效率，这是实验往往无法做到的。
[0004]Aspen Plus流程模拟软件是一种强大的可以模拟湿法冶金回收的流程模拟软件，具有丰富的物性数据库的物性计算方法。尽管Aspen Plus软件在流程模拟领域具有很高的地位，但其缺少电化学计算模块，对于电化学方法存在的冶金过程无法直接模拟。
[0005]传统的湿法冶金回收流程主要包含酸溶、除杂、沉淀等过程。近年来电渗析方法也成为锂离子电池回收的流程之一。目前主流的Aspen Plus对湿法冶金回收过程的模拟主要包含酸溶、除杂、沉淀等过程，而没有电渗析方法的处理过程。这些模拟过程主要是用于预测湿法冶金采矿的效率。在Aspen Plus软件中，没有电化学计算模块，尽管其有自带的编程软件，但一方面编程过程复杂，另一方面是尽管编写的程序模块可以针对特定的电渗析过程进行计算，也很难与Aspen Plus主过程兼容，实现全流程模拟，这也是为什么目前Aspen Plus几乎没有用于计算电渗析模块的原因。
[0006]COMSOLMultiphysics软件与AspenPlus不同，主要是用于CFD模拟，对于电化学回收过程，COMSOLMultiphysics软件中有成熟的电化学理论，对于不同的电化学过程都可以进行模拟。这一软件主要是针对某一流场域进行计算，分析不同的操作条件对计算结果的影响。与AspenPlus软件不同，COMSOLMultiphysics软件无法实现流程模拟的目的。
[0007]现有技术针对Aspen Plus流程模拟软件的应用做了探索，也有许多学者针对电渗析过程做了不同方面的CFD模拟，但学者们做的软件应用研究存在以下缺陷：
[0008](1)Aspen Plus往往是被用于简单的模拟过程，比如在湿法冶金领域中，大多数使用到的Aspen Plus的过程都是不含电渗析过程的，这使得Aspen Plus软件在湿法冶金过程
中的应用受限；
[0009](2)COMSOL Multiphysics软件主要用于流体中的CFD模拟，可以实现电化学的模拟计算，但它不能实现流程模拟的功能；
[0010]当前Aspen Plus软件包中有用户自定义模块，可以针对电渗析过程进行自主编程计算，这增加了Aspen Plus软件可能应用到的领域，但是电渗析过程涉及到的理论复杂，即使自主编程得到的程序能够针对某一电渗析过程进行计算，其与Aspen Plus的主流程之间的耦合也会产生不兼容等问题，这是在技术上难以攻克的难题。

技术实现思路

[0011]在实际规模化回收锂离子电池贵金属产业中，需要对回收工艺流程进行工艺设计，并针对该工艺的回收效率以及工艺经济性进行评估。考虑到时间成本和物料成本，往往无法通过实验直接对大规模回收锂离子电池工艺进行实验计算。Aspen Plus软件可以针对湿法冶金锂离子电池回收过程进行模拟，但是其中缺少电化学计算模块；COMSOL软件可以针对电化学过程进行计算，弥补了Aspen Plus软件的这一缺陷。而两者所使用的领域不同，本专利技术目的在于将两者结合起来对湿法冶金锂离子电池回收过程进行模拟。
[0012]为达到上述目的，采用技术方案如下：
[0013]湿法冶金锂离子电池回收过程模拟方法，包括以下步骤：
[0014](1)利用Aspen Plus软件针对锂离子电池的湿法冶金回收过程搭建模拟流程，包括酸溶、除杂、沉淀以及电渗析模块的模型；其中，电渗析模块的模型采用化学计量反应器Rstoic模型替代；
[0015](2)采用COMSOL软件对电渗析的过程进行CFD模拟，具体过程包含几何建模，网格划分，边界条件设定，计算求解，获得Li2SO4的处理效率η，定义如下：
[0016][0017]其中，C1出口的硫酸锂浓度，C0入口的硫酸锂浓度；
[0018](3)将Li2SO4的处理效率η和Aspen Plus的计算模拟过程结合。
[0019]按上述方案，Li2SO4的处理效率η和Aspen Plus的计算模拟过程结合包括以下步骤：
[0020]首先将COMSOL软件中的计算过程和计算结果与Excel工具结合，通过Excel函数编辑计算得到Li2SO4的处理效率η；
[0021]将Aspen Plus软件中电渗析模型的替代模块Rsotic的初始参数和产品产量计算结果导入到Excel中；
[0022]将COMSOL中的计算结果，即Li2SO4的处理效率η输入到Rsotic的初始参数处，直接在Excel中进行计算，可得到对应的产品产量计算结果。
[0023]以往的Aspen Plus研究要么是仅针对没有电渗析过程的工业化流程模拟计算，COMSOL则基本是基于理论研究，仅对流场进行计算。本专利技术基于AspenPlus与COMSOL两个软件都能与Excel结合的特性，将两者结合起来，可以既可以解决Aspen Plus中没有电渗析模块的问题，又可以将COMSOL的计算结果与工业化流程模拟结合起来，拓展了Aspen Plus的应用场景，也开拓了COMSOL的新的研究领域。
[0024]本专利技术解决了Aspen Plus中的用户自定义模块编程和兼容困难的问题，利用COMSOL对电渗析过程进行计算，免去了编程困难的问题，而且模拟的结果更加可靠。
[0025]相对于现有技术，本专利技术有益效果如下：
[0026]利用COMSOL软件针对电渗析过程进行模拟，与通过Aspen Plus的用户自定义模型进行自主编程的过程相比，过程更加简单，而且COMSOL中得到的CFD模拟结果更加直观，不仅省却了编程时间，而且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.湿法冶金锂离子电池回收过程模拟方法，其特征在于包括以下步骤：(1)利用Aspen Plus软件针对锂离子电池的湿法冶金回收过程搭建模拟流程，包括酸溶、除杂、沉淀以及电渗析模块的模型；其中，电渗析模块的模型采用化学计量反应器Rstoic模型替代；(2)采用COMSOL软件对电渗析的过程进行CFD模拟，具体过程包含几何建模，网格划分，边界条件设定，计算求解，获得Li2SO4的处理效率η，定义如下：其中，C1出口的硫酸锂浓度，C0入口的硫酸锂浓度；(3)将Li2SO4的处理效率η和Aspen Plus...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋邦杰，彭金星，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：