多组分多出口稀土串级萃取静态优化设计研究(I)静态设计算法

研究了多组分、多出口稀土串级萃取体系静态优化设计过程的精确计算方法. 首先推导出串级萃取体系最重要的物料平衡和萃取平衡关系, 其次根据分离要求等条件确定了各出口的相对流量, 利用萃取平衡和物料平衡关系进行静态递推, 并在求解过程中根据物料平衡关系引入了校正参数, 通过对递推结果的迭代校正, 最终得到收敛的计算结果, 解决了静态设计算法的关键问题. 这一方法为多组分多出口稀土串级萃取过程的静态优化设计提供了精确算法.     

串级萃取理论的发展历程及最新进展

20世纪70年代,徐光宪教授创建了串级萃取理论,建立了稀土串级萃取工艺的最优化参数计算方法。结合计算机技术,又建立了串级萃取工艺的静态参数设计和动态仿真计算技术,实现了工艺设计参数到工业规模生产应用的"一步放大"。近40年来,串级萃取理论及其计算方法始终引领和支撑着中国稀土分离技术的持续发展,同时,萃取工艺技术和装备的进步也不断地促进了该理论的丰富与完善。理论的适用范围由早期的恒定混合萃取比体系发展到非恒定混合萃取比体系,分离流程由两出口发展到三出口、多出口体系,并进一步发展为多入口、多出口的联动萃取工艺;串级萃取工艺的最优化参数计算方法也由两组份体系拓展至多组分分离体系,从单一工艺优化拓展到稀土全分离流程的整体优化。本文简要综述了串级萃取理论发展中的重要工作与应用情况,深入介绍了联动萃取工艺计算及流程优化等方面的最新进展及应用前景。     

联动萃取分离流程设计理论的建立及其运用

稀土是对于现代工业发展至关重要的一组元素,全球对稀土产品的需求量仍在持续增长。然而,稀土的萃取分离生产过程始终伴随环境污染问题,降低酸碱消耗始终是稀土萃取分离理论与技术研究的追求目标。在串级萃取理论的指导下,稀土萃取分离工艺流程的运行经济性不断提升。尤其是2000年后联动萃取分离工艺的出现,使得稀土萃取分离流程的酸碱消耗水平显著降低。联动萃取工艺在逐步成为中国稀土分离工业基本技术的同时,也极大促进了串级萃取理论的发展。近年,以邻级杂质比概念的提出和分析为基础建立了联动萃取分离流程设计理论,其中推导得到的系列理论公式可用于设计具有理论最小萃取量和最小洗涤量的多组份联动萃取全分离流程,无需通过动态模拟和静态计算即可实现。该理论方法也可用于非联动萃取流程优化工艺参数的计算。另外,理论公式推导和运用的同时也增进了对稀土萃取分离过程物料运行规律的理解。     

任意组分两出口体系串级萃取静态优化设计研究

提出了任意组分体系溶剂萃取串级分离工艺的精确算法。并推导了溶剂萃取串级分离萃取平衡和物料平衡关系,给出了两端出口组分组成的最简通用计算公式,解决了静态算法设计的关键问题。利用萃取平衡和物料平衡关系进行静态递推,实现了任意组分体系静态精确设计。这一方法可以解决目前任意组分体系两出口串级分离的理论优化设计问题。     

Gd—Tb—Dy—HCl—HEH（EHP）—煤油体系的逆流萃取数学模型及数学模拟

在1.5mol/LHEH(EHP)-盐酸体系中于较宽的稀土浓度和酸度范围内建立了Gd、Tb、Dy的数学平衡模型。模型有4个自变量,9个参数,相对误差为4.5％。编制了处理三种稀土同时存在时的逐级计算程序。借助于该程序和萃取数学模型,可以计算逆流萃取体系达到平衡时水相中每种元素的逐级浓度、酸度、有机相中每种元素逐级的浓度,并由此计算出产品纯度、各级的分配比、萃取分离因数等。数学模拟结果可供工艺设计人员设计萃取工艺时特别是设计三出口工艺时参考。     

含不同价态的多组份体系萃取平衡算法研究

基于萃取平衡计算的计算机模拟是研究稀土分离工艺的重要手段,在实践中获得了成功应用。在实际稀土萃取分离过程中,除三价稀土离子外还存在着不同价态的其他离子,如Na+,Ca2+,Mg2+,Eu2+,Fe3+,Al3+,Ce4+,Th4+等。研究不同价态离子共存条件下的萃取平衡计算方法,对于研究实际萃取分离体系中非稀土元素及变价稀土元素的行为具有重要意义。本文从酸性萃取剂体系中n价阳离子的萃取平衡关系出发,推导出萃取平衡计算的多元方程组,并将其简化为一元方程后给出了抛物线逼近的数值求解方法。通过对数据实例的计算表明,算法收敛快速稳定,适用于含不同价态多组份体系的萃取平衡计算。     

三元稀土萃取分离工艺中有效分离系数的研究

本文通过计算机模拟计算,对恒定混合萃取比的三元稀土萃取分离工艺中有效分离系数的变化规律进行了研究,并在串级萃取理论的基础上提出了一种采用有效分离系数确定三元稀土萃取分离工艺参数的方法。     

萃取分离稀土元素及计算机模拟计算的研究

用最小二乘法回归单级萃取平衡数据,建立了一种形式简单通用的两相分配平衡模型;通过对萃取机理的分析,归纳出各级水相酸度、自由萃取剂浓度与相应级的两相稀土总浓度的关系,据此提出了一个改进的串级模型,与文献所采用的模型相比,减少了2N个变量和方程;编写了矩阵解法的FORTRAN计算程序,对若干个分馏萃取体系进行了模拟计算,所得结果与实验值吻合很好,改变工艺参数的计算结果也与实际萃取变化规律一致,说明了所用的模型及程序都是合理可行的,适用于不同萃取剂的阳离子交换萃取体系,为达到计算机辅助萃取分离稀土元素的实验及工艺设计这个目的打下了基础。     

三出口萃取工艺静态平衡研究

三出口萃取工艺是在普通分馏萃取工艺中间级增开一个出口使之同时分离三个组份。采用这一工艺可大大简化多元体系分离流程,提高经济效益。本文根据恒定总萃取比体系的本出口萃取工艺中各组份的静态物料平衡,推导出四种三出口萃取工艺的极值公式。通过计算机静态模拟计算确定了Gd/Tb/Dy三出口萃取工艺参数,并通过试验验证了计算结果。     

多组份稀土体系串级萃取分离理论(Ⅰ)多组份稀土体系串级萃取分离的静态平衡出口级组成的计算

对多组份稀土体系串级萃取分离的静态平衡出口级组成计算进行了研究, 并给出了多组份稀土体系串级萃取分离的静态平衡出口级组成的计算公式, 利用本文给出的计算公式可以比较精确, 比较方便地计算出多组份稀土体系分离时出口级中各组份数的组成.     

改进的分馏萃取串级模型

本文应用萃取机理简化了文献[1]中的串级模型,同时对计算方法也作了改进。据此编写了相应的FORTRAN计算程序。对HEH(EHP)-煤油-HNO₃-(Sm-Gd)(NO₃)₃体系进行的模拟计算及改变工艺参数的计算表明,该模型可能用于计算机辅助萃取分离实验及工艺设计。     

P507体系反萃取条件对平衡负载稀土量的研究

P507-盐酸体系是目前应用最为广泛的稀土萃取分离体系.在用P507-盐酸体系分离含中重稀土的原料时,由于重稀土元素（Tm,Yb,Lu）难于完全反萃,使得长期使用后的空白萃取剂中仍负载一定量的重稀土（称为平衡负载）.在重稀土元素分离时,平衡负载甚至高达有机相正常负载的10%以上,严重影响了相关分离工艺的运行和实际分离效果.根据多组分萃取分离体系的萃取-反萃平衡和物料平衡关系,将平衡负载引入反萃取参数计算的物料平衡模型,对反萃过程进行了计算机仿真模拟,研究了反萃酸的相对流量、反萃级数等工艺条件对平衡负载量的影响.模拟结果表明,平衡负载随反萃级数和反萃酸流量的增大而减小;消除重稀土平衡负载、保证反萃完全需要较高的反萃酸耗和较长的反萃级数.在工业生产中,可根据实际分离需要选择相对经济的工艺条件,将平衡负载控制在合理的范围内.     

HEH(EHP)-煤油-HCl-RECl_3体系单一稀土的萃取平衡

HEH(EHP)(2-乙基己基膦酸单2-乙基己基酯)作为萃取剂,萃取分离稀土的研究结果表明,HEH(EHP)有较高的分离系数,是一种有效的稀土分离萃取剂。为深入了解HEH(EHP)对稀土元素的萃取性能,以便提供萃取分离工艺的设计参数,我们研究了HEH(EHP)-煤油-HCl-RECl_3体系在不同初始条件下,15个单一稀土的萃取平衡数据,     

串级萃取理论之联动萃取分离工艺设计:Ⅵ、理论的应用拓展

本系列文章的前五篇推导得到了用于多组分联动萃取分离流程设计的基础理论,并通过一个四组分分离流程实例介绍了该设计理论的实际应用。本文是本系列文章的最后一篇,将探讨该理论的拓展应用。所有非联动萃取多组分分离流程都可以通过适当等效变换,转换为由联动萃取流程中基本分离单元组合得到的等效流程,本文通过任意切割比例的三组分两出口分离、三组分三出口分离以及三组分联动萃取全分离等效流程等不同工艺形式实例,介绍如何通过流程的等效变换,应用本系列文章中的理论公式解决稀土工业实践中不同类型工艺流程的参数计算问题。     

多级离心连续逆流手性萃取模型及模拟

基于单级手性萃取数学模型和质量守恒定律,建立了多级离心手性萃取数学模型,设计了多级离心萃取数学模型程序,并对多级离心萃取分离苯基琥珀酸（PSA）对映体进行了模拟.模拟了相比、萃取剂浓度、对映体浓度、进料位置和萃取级数等工艺参数对萃取效果（产物纯度和产率）的影响.模拟结果表明,考察的工艺参数共同影响萃取相和萃余相的产物纯度及产率;采用中间位置进料和较大的W/F相比有利于对称分离.实验发现：采用中间位置进料,10级离心萃取后萃取相中苯基琥珀酸的光学纯度ee（对映体过量）达到56%以上.模拟结果还表明,采用26级离心萃取器,中间进料,逆流分级萃取,萃取相及萃余相中的光学纯度ee都能达到98%以上.     

轻稀土萃取分离工艺技术经济评价

在传统、三出口、组合联动轻稀土萃取分离工艺研究分析的基础上,设计开发了带模糊分离和置换萃取等技术的组合联动轻稀土萃取分离新工艺流程,并与传统工艺进行了技术经济比较。经比较证明,组合联动轻稀土分离新工艺先进合理,充槽投资更省,生产成本更低,生产废水排放更少。     

串级萃取理论之联动萃取分离工艺设计:Ⅰ、串级萃取分离过程的邻级杂质比

具有显著流程优化优势的联动萃取分离技术已成为中国稀土分离企业的主流技术,其工艺参数设计理论研究对促进技术进步具有十分重要的指导意义。近年来作者发展了串级萃取理论,给出了联动萃取流程最小萃取量和最小洗涤量理论下限的计算方法,解决了联动萃取分离流程优化过程中的基础理论问题。相关工作拟连载发表。首先引入邻级杂质比的概念,推导得到了邻级杂质比公式,分析了邻级杂质比的工艺意义,为后续联动萃取分离单元最小萃取量和最小洗涤量等公式的推导奠定基础。     

TbCl_3-DyCl_3-HCl-H_2O-P507体系的萃取平衡数学模型和最优工艺的选择

本文研究了TbCl_3-DyCl_3-HCl-H_2O-P507体系的萃取平衡关系,关联了分配比模型:(1)以水相中稀土总浓度的分区模型;(2)以摩尔分数的分区模型;(3)铽和镝的模型。利用上述模型研究了铽镝二元体系的萃取行为,其与单一铽或镝相比,由于第二元素的存在导至了分配比、分离因数和有机相的稀土浓度的变化。利用水相稀土浓度的分区模型,进行了分馏萃取静态特性模拟。探索了影响分离工艺的因素、研究了萃取因数与分离效率的关系和在实际中达到材料消耗低和分离效率高的最优条件。提出了达到铽>95％和镝>99.5％的最优分离工艺。     

稀土萃取分离工艺研究新进展

综述了近年来我们实验室在稀土萃取分离工艺研究方面取得的一些新进展。主要有:(1)稀土萃取分离工艺的计算机一步放大;(2)回流启动技术;(3)三出口新工艺;(4)稀土料液浓缩新方法;(5)稀土与非稀土元素的分离;(6)专家系统技术在稀土萃取分离工艺控制中的应用。     

铜、钴、镍同时分离工艺的研究

稀土体系三种元素同时分离的工艺最近已有发表,但非稀土方面的工作尚未见报导.对Cu、Co、Ni三种元素,通常是将Cu、Co作为一个组份与Ni分离.本工作对组成为Cu:Co:Ni=1:1:1的水相合成料液设计了两种工艺,进行了串级实验,实现了该三种元素的同时分离, 串级实验以HEH(EHP)作萃取剂,煤油为稀释剂,其它试剂均用分析纯.