湿法冶金浸出过程机理模型

第35卷 第4期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2014年 8 月 湿法冶金浸出过程机理模型 周天驰 (江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌330031) 摘 要针对山东某黄金精炼厂的实际工艺，以氰化钠为浸出剂的金浸出过程为背景，基于物料及能量平 衡关系，建立了金的氰化浸出机理模型，并通过实际数据对模型进行了仿真，验证了模型的有效性及泛化性。 【关键词湿法冶金；金；浸出过程；机理模型；浸出率 中图分类号：献标识码：A 文章编号：10044345(2014)04004003 o，3003 1，or of a is as as of is on of is to of 法冶金相对于火法冶金的显著优点在于原料 中有价金属综合回收程度高、有利于环境保护、生产 过程较易实现连续化和自动化【”。而浸出过程作为湿 法冶金的一道重要工序，直接决定金属提取的纯度。 本文拟针对山东某黄金精炼厂的实际工艺，以氰化 钠为浸出剂的金浸出过程为背景，基于物料及能量 平衡关系，建立浸出过程的机理模型，并采用实际数 据对模型进行仿真，以验证模型的有效性及泛化性。 1 浸出过程 湿法冶金全过程的一般工艺流程为：1)矿石预 处理(磨矿)；2)矿石原料浸出；3)固液分离；4)溶液净化 富集及分离；51从溶液制取金属或化合物2其中浸 出过程就是用化学试剂将矿石或精矿中的有用组分 转化为可溶性化合物，得到含金属的溶液，实现有用 组分与杂质组分的分离过程。本文所研究的是黄金 的湿法冶炼工艺，采用的浸出设备为气力浸出槽，利 用充入空气在矿浆中的搅拌、溶解作用，使矿浆在槽 内运动、循环，让精矿颗粒、浸出剂、空气在矿浆中充 分接触，以利于金的溶解。此浸出过程是以氰化钠为 浸出剂同时通入空气增加浸出槽中的氧浓度。氰化 浸出过程如图1所示。 浸出剂 浸出剂 浸出荆 (图1 氰化浸出过程示恿 浸出过程作为湿法冶金的第一个丁序浸出液 的品质好坏直接决定了后面工序提取金属的纯度， 因此对浸出过程的研究就显得尤为重要。从浸出过 程看，影响氰化浸出的因素主要有浸出剂流量、压缩 空气流量、进料流量、溶解氧浓度、矿石粒径、初始金 品位等闭。由于该工艺为连续浸出，因此有多路浸出 剂流量和压缩空气流量需要考虑。浸出过程主要的 生产指标是浸出率，浸出率直接反应浸出过程的产 品质量，目前浸出率的检测方法大多是离线化验检 测，检测时间长、成本高，故通常只化验最终的浸出 收稿日期：20140606 作者简介：周天驰(199男，主要从事有色冶金行业仪表自动化设计工作，研究方向为复杂工业过程建模及优化 菡一 一 一 缩气 瞒 一 酐一 滞 厂= 一悄气 一 _丽 睡 潮 箱 _4期 湿法冶金浸出过程机理模型 41 率。因此，建立浸出过程准确的模型来预测浸出率就成 为进一步提高湿法冶金自动化生产效率的 要任务。 2浸出过程机理模型 对浸出过程模型做如下设定：1)模型钪入。模型 输入包括矿石流量、矿浆浓度、溶解氧浓度、粒子粒 径、氰化钠添加量、初始金品位、流入矿浆中氰根离 子浓度等内容。2)模型输出。模型输出包括浸出率、 浸出后的矿石中金的品位、浸出后氰化钠浓度等。 3)反应条件。(1)搅拌槽内矿浆搅拌均匀；(2)搅拌槽内 温度分布均匀；(3)忽略反应器中的物料隔离；(4)泥 浆的容量阻力恒定41。 一般认为在氧存在的条件下，氰化浸金属于电 化学腐蚀过程，化学方程可表示为51： 2=2N)2一+2+201) 22 02=2N)2-+20H (2) 综合化学反应方程式为： 22+2N)2-+403) 在单个浸出槽发生反应的过程称之为单级浸 出。本文的机理模型由研究矿石浸出的原理出发，逐 步建立浸出过程物料平衡方程及能量守恒方程。 单级浸出过程的输入为氰化钠流量、溶解氧浓 度、矿石流量、矿浆浓度、粒子粒径，输出分别为浸出 率、浸出后的矿石中金的品位、浸出后氰化钠浓度， 以下推导单级浸出机理模型。浸出机理模型变量符 号见表1 表1浸出机理模型变量符号 符号 符号含义 单位 符号 符号含义 单位 C 矿浆浓度 g 浸出槽体积 m C 固相中初始金品位 mgkg 反应速率 mg 固体密度 gG 溶解氧浓度 mgg 同相中最终金品位 mgkg m 液体质量 相中氰离子浓度 mg体质量 流入矿浆中氰离 子浓度 g浸出级数 kgh 矿石流量 kgh 根据物料平衡原理，可以分别得到矿石的流量 平衡方程、液体流量平衡方程： 8o (7) ,o (8) 式中：Q Q 分别为浸出前后矿石的流量；Q Q 分 别为浸出前后液体的流量。 由固相中金守恒可得： Q；Cc 一 (9) 式中：Q 为初始流人浸出槽的金；Q。 为反应结束 后流出浸出槽的金；反应掉的金。其中C C 分别为浸出前后金的品位，M 表示矿石的质量，金浸出时的反应速率。 由液相中氰根守恒可得： (10) 式中：Q C 为初始料液中的氰；Q 为添加进入浸出 槽的氰；为反应掉 的氰。其中C 。、C 分别为浸出前后氰根的浓度， 表示矿液的质量，r 表示氰的反应速率。 假设物料最大程度上混合，可得： 1 Q。=Q ( (11) V Ql p 。12) 3) 百 式中：、 分别为液体的质量、 矿石的质量；p 1分别表示矿石的密度、液体密度。 又因为物料充分混合，因此固体颗粒、液体和矿 浆有相同的平均停留时间，可得： ： ： ： (14)Q Q Q Q 。 s 1 l s ， p 中：浸出过程金粒的反应速率和氰化钠的消耗速率 根据反应动力学可得到如下方程61： r ()( ) 5) ) (16) db 3 上式表明，金的反应速率模型与矿石粒径、反应 前后金品位、氰及氧的浓度相关；氰根反应的速率模 型与矿石粒径、氰浓度相关。其中，；C 、C 分别表示当前时刻金的浓度、反应后金的 理想最终浓度。a。一a6、b b 分别为反应动力学方程 中的参数。查询相应文献可得到理想情况下矿石中 金的最终浓度为： ( )=O357(19e ) (17) 42 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第35卷 综合上述各式，把式(11)、式(12)、式(16)代人式 (10)便可求得氰根离子浓度。然后把式(11)、式(13)、 式(15)、式(17)代入式(9)便可求得固相中金的浓度。 由固相中金浓度的变化，便可求得金的浸出率 为 式(18)： ，1一，1 = Q ，o， (18) 理模型中参数众多，确定准确的参数是模型 成功的关键。本模型中的参数可分为3种：现场已知 参数、查阅文献得到的参数、实验所得参数及辨识所 得参数。其中，根据现场的实际情况有如下已知参 数：V=68 m ；Q =2 540 kgh；33；d=80 p,m。 而经笔者查阅相关的文献资料后。进而又确定了模 型中的一部分参数圈：8 g g 实际生产过程中浸出槽中会安置溶氧仪，因此溶氧 量 可作为已知的参数作为模型的输入。机理模型 中最主要的动力学参数：金和氰化钠的反应速率，是 一个与粒径和初始金品位和浸出后金品位、氰化钠 浓度和溶解氧浓度有关的可变参数，根据相关浸出 过程建模文献同： 一 11 1 A =(1435d)X 2 05 n ) C (19) 一R ：( d 一267 3模型仿真分析 (20) 为了验证模型的可靠性 从现场采集最终浸出 率样本20个，与机理模型预测值进行比较，结果如 图2所示。 0980 0978 0976 0974 0972 槲0970 o968 一0966 0964 0962 0960 2一实际值一 机理模型预测值 图2浸出率预测结果 机理模型的性能采用最大误差(均方根 误差(相对均方根误差(及拟合度 验证，误差如表2所示。 表2机理模型性能评价 图2和表2表明，所建浸出过程机理模型对浸 出率的预测趋势与实际相符，但还存在较大的误差。 故可以认为机理模型原理和结构正确，但模型内部 参数与实际过程存在误差。 4总结 本文建立了金的氰化浸出机理模型 考虑各种 影响浸出率的因素，以金反应速率的动力学模型为 基础，根据物料平衡和能量平衡关系，建立了浸出过 程的机理模型，并通过实际数据验证了模型的可靠 性。但浸出过程的影响因素很多。由于不同工业现场 工艺流程复杂，设备类型多样，限制了这一模型的应 用，需采用实际生产数据对模型中重要参数进行辨 识，以提高模型准确性l 8_。 参考文献 1简椿林黄金冶炼技术综述J湿法冶金，2005，27(1)：15 【2】陈家镛，杨守志，柯家骏，等湿法冶金的研究与发展【M】北京：冶金 工业出版社，1998：13 【3】胡广浩，毛志