魯艷梅（昆明冶金研究院（云南省冶金研究設(shè)計院）云南 昆明 650031）

萃取技術(shù)具有成本低、能耗低、效益好、操作簡單等優(yōu)點，是濕法冶金的重要工藝環(huán)節(jié)。但是，萃取過程中，無法對組分含量進(jìn)行在線測量，這使得萃取分離工作往往帶有一定的不確定性。因此，盡快構(gòu)建一個能提供在線監(jiān)測的軟測量模式是當(dāng)前急需解決的問題。

一、動態(tài)混合模型

在多元素的萃取分離過程中，采用單級的萃取無法達(dá)到顯著的分離效果，必須將若干個萃取分離器緊密結(jié)合起來，形成一個多級的萃取分離，讓被萃物質(zhì)經(jīng)過多次的水相和有機相的接觸，從而達(dá)到預(yù)期分離效果。

動態(tài)混合模型能檢測出組分的濃度與時間的關(guān)系，這對實現(xiàn)萃取過程的最優(yōu)控制具有重要意義。萃取過程就是被萃組分由水相進(jìn)入有機相的過程，而混合澄清器的每一級都可以看成是理想澄清室與理想混合室的組合，如圖1所示。

圖1 單級混合澄清器結(jié)構(gòu)

這是理想狀態(tài)下的動態(tài)混合模型，假定傳質(zhì)只在理想混合室中進(jìn)行，萃取過程中的水相和有機相體積不變。利用物料衡算關(guān)系，我們可以運用如下公式模型來定義第i級（i=1、2、3、……N，N表示的是該動態(tài)混合模型的級數(shù)）萃取分離過程：

式中：Xi表示第i級的水相被萃取組分的濃度，yi表示第i級的有機相被萃組分濃度。從第i-1級萃取分離器中流出的水相溶液在進(jìn)入到第i級的理想混合室中之前需要在澄清室中滯留一段時間，所以說，澄清室的溶液有一個滯留的時間。同樣，有機相溶液也是這個道理，需要先在混合室中滯留一段時間?，F(xiàn)假設(shè)i=1，也就是在第一級萃取分離器中，屬于進(jìn)料器，可以用如下的方程來表示其狀態(tài)：

當(dāng)i=N，也就是萃取溶液處于最后一個萃取分離器中時，有如下狀態(tài)方程：

式中的y0表示的是有機相中被萃取組分的濃度，一般取值為0。而從第i級理想混合室中流出的有機相與水相被萃組分平衡濃度關(guān)系為：yi=DiXi，其中，Di表示的是第i級的分配比，將這個公式與第N級出料時的狀態(tài)微分方程聯(lián)合起來就可以得出如下混合器萃取過程中的動態(tài)監(jiān)測模型：

從這個模型中可以看出，其是伴隨著多級混合器的多級萃取分離過程而建立起來的，從上一個萃取分離器進(jìn)入到下一個萃取分離器中，總是需要一定的時間來接近或達(dá)到萃取水相和有機相的平衡。上述模型中的分配比Di無法實現(xiàn)在線監(jiān)測，其他的參數(shù)都可以實現(xiàn)在線測量，那么要實現(xiàn)真正意義上的在線測量萃取組分含量，那么就必須解決Di的在線測量問題，而其與萃取溶劑的起始濃度、PH值、溫度等有關(guān)，接下來就采用核函數(shù)的非線性PLS技術(shù)來進(jìn)行分配比的回歸建模。

二、核函數(shù)非線性PLS技術(shù)

分配比的大小與溫度、萃取溶液濃度、PH值、常數(shù)K等有關(guān)，雖然說無法為分配比建立一個理想的模型，但是在工業(yè)生產(chǎn)中，萃取溶液以及稀釋劑等都是固定的，所以說起對分配比的影響基本是固定不變的，而萃取常數(shù)K也是固定的，故而也可以忽略其對分配比的影響，這樣就可以建立起一個分配比、萃取劑濃度、料液PH值和溫度的非線性函數(shù)， 我們利用核函數(shù)非線性PLS回歸得到分配比的非線性函數(shù)：Di=f（PHi,Ti,M）+ε，其中，Ti表示第i級的溫度，PHi表示第i級的料液PH值，M表示的是萃取劑的起始濃度，ε表示的是其他不確定性或未知因素對分配比的影響。在這個非線性函數(shù)中，實驗中獲得的樣本數(shù)目少，而萃取過程中還會存在噪聲等對分配比的影響，這些都是建立分配比模型需要解決的重點問題，對此，我們采用核函數(shù)的PLS回歸技術(shù)來解決這些問題，通過PLS回歸保證函數(shù)的非線性，同時又使得模型擬合的結(jié)果更加精確。

得到分配比非線性函數(shù)后，將分配比的估計值代入到前文提出的動態(tài)混合模型中，這樣就可以得出萃取組分含量的混合模型了，實現(xiàn)對濕法冶金萃取組分含量的在線監(jiān)測，計算出第i級萃取分離器中的水相和有機相的百分比含量。

三、混合模型結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用效果分析

從前文中的混合模型建模過程可以看出，這個混合模型是分配比模型與動態(tài)機理模型的結(jié)合體，是一種軟測量混合模型，先借助分配比模型得出分配比，然后代入到動態(tài)機理模型中得出組分含量。如圖2所示就是這個動態(tài)混合模型的建模過程。

圖2 動態(tài)混合模型建模過程

為驗證該動態(tài)混合模型的在線測量效果，在某濕法冶金廠進(jìn)行了分離某料液中較高濃度的銅試驗，每過10m in就進(jìn)行一次測量，每天對萃取液進(jìn)行一次離線化驗測量，分析其中的銅含量。最后，運用MATLAB對前文的動態(tài)混合模型進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖3所示，可以明顯看出，動態(tài)混合模型得出的組分含量結(jié)果與離線分析結(jié)果差別不大，說明該動態(tài)混合模型是可行的，可以在工業(yè)生產(chǎn)中大力推廣。

圖3 仿真結(jié)果

結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，濕法冶金萃取組分含量的在線檢測技術(shù)也會逐漸發(fā)展起來，本文提出了一種簡單的動態(tài)混合檢測模型，是一種軟測量模型，通過實踐證明，該模型在萃取組分含量的在線監(jiān)測中是可行的，應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到大力推廣。

[1]賈潤達(dá)，毛志忠，常玉清.濕法冶金萃取組分含量混合建模方法的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2009,30(2)：267-271.

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