（控制理论与控制工程专业论文）湿法冶金铜萃取组分含量软测量方法研究.pdf

1 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri n c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o l 1 n e n g l n e e r l n g r e s e a r c ho ns o f t - - s e n s o rm e t h o do fc o m p o n e n t c o n t e n ti nh y d r o m e t a l l u r g yc o p p e re x t r a c t i o n b yz h a n gs h u n i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n g f u l i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 恧。 学位论文作者签名：弓次讨a 彳 日 期： 知舛了屠争自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：张淑雪 导师签名：乃门亿1 签字日期： 芴h p ：事7 同年月 签字日期：w 矿罗净f 7 目侈目 - - 东北大学硕士学位论文 摘要 湿法冶金铜萃取组分含量软测量方法研究 摘要 现代工业过程对控制系统越来越高的要求促进了软测量技术的发展，作为能够实现 现代复杂工业过程中较难甚至无法由硬件在线检测的过程参数的在线预估的有效手段， 软测量已经成为目前过程控制领域的研究热点之一。湿法冶金铜萃取过程具有强非线 性、时变、大滞后等特点，元素的组分含量难以在线测量。针对组分含量难以在线测量 的问题，本文将最小二乘支持向量机建模方法应用于铜组分含量的在线预估。试验结果 表明了该方法的有效性。本文主要内容包括： 1 、对软测量技术的基本原理，建模方法进行了研究。 2 、简要描述湿法冶金铜萃取过程原理及其工艺流程，从萃取分离过程的化学平衡 入手，分析了影响铜元素组分含量的因素。应用萃取平衡分配的相关知识和串级萃取物 料平衡原理，建立了铜萃取过程的静态机理模型。 3 、建立了一种基于机理模型和l s 。s v m 模型相结合的铜萃取组分含量混合软测量模 型。利用该混合模型实现了萃取过程中铜组分浓度的在线预估，试验结果表明了该方法 的有效性。 4 、以湿法冶金铜萃取过程为对象，讨论了萃取过程自动控制系统的体系结构和功 能，以及萃取过程组分含量软测量模型在萃取过程控制系统中的应用和地位。 5 、最后，本文给出了湿法冶金萃取过程控制系统及铜组分含量软测量模型的实施 设计方案，并探讨了铜萃取软测量在萃取过程优化控制中的应用设计。 关键词：湿法冶金，铜萃取，软测量，最小二乘支持向量机 p i ， - 丑，0 f 叁 k i 东北大学硕士学位论文 a b s tr a c t r e s e a r c ho ns o f t - s e n s o rm e t h o do fc o m p o n e n tc o n t e n ti n h y d r o m e t a l l u r g yc o p p e r e x t r a c t i o n a b s t r a c t t h eh i g h e rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fc o n t r o ls y s t e m sf o rm o d e r ni n d u s t r i a lp r o c e s s h a v eb c c np r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fs o f t - s e n s o rt e c h n i q u e i nm o d e mc o m p l i c a t e d i n d u s t r i a lp r o c e s s ，s o m ev a r i a b l e sa r ev e r yh a r dt ob em e a s u r e do re v e nc a n n o tb em e a s u r e d o n l i n e b ye x i s t i n g i n s t r u m e n t sa n ds e n s o r s s o f ts e n s o ri sa ne f f e c t i v em e a n so f i m p l e m e n t i n gt h eo n - l i n ee v a l u a t i o no ft h e s ev a r i a b l e s a tp r e s e n t ，s o f t s e n s o rt e c h n i q u eh a s b e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n t r e s e a r c ha r e a si n p r o c e s s c o n t r o lf i e l d t h e h y d r o m e t a l l u r g yc o p p e re x t r a c t i o np r o c e s si s c h a r a c t e r i z e do fn o n l i n e a r i t y , t i m e v a r i a n t p r o p e r t i e s ，a n dl a r g el a g t h ec o p p e rc o m p o n e n tc o n t e n ti s d i f f i c u l tt od e t e c to nl i n e a no n 1 i n e p r e d i c t i o nm e t h o do fc o p p e rc o m p o n e n tc o n t e n ti nt h ec o p p e re x t r a c t i o np r o c e s su s i n gl s - s v mi sf i r s t p r o p o s e dt or e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ec o m p o n e n tc o n t e n ti sd i f f i c u l tt od e t e c to nl i n e t h et e s tr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h em o d e l i n gm e t h o di se f f e c t i v e t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 t h eb a s i ct h e o r y a n dm o d e l i n gm e t h o d so fs o f t s e n s o rt e c h n i q u ei sr e s e a r c h e d 2 i td e p i c t st h eh y d r o m e t a l l u r g yc o p p e re x t r a c t i o np r o c e s sa n d p r i n c i p l e t h em a j o rf a c t o r s i n f l u e n c i n gt h e e x t r a c t i o ne q u i l i b r i u m a r e a n a l y z e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc h e m i c a l e q u i l i b r i u m t h e nt h ee x t r a c t i o ns t a t i cp r i n c i p l e sm o d e li sd e v e l o p e du s i n ge q u i l i b r i u m d i s t r i b u t i o nm o d e la n dm a t e r i a lb a l a n c ep r i n c i p l e sf o rc o p p e rc o u n t e r c u r r e n te x t r a c t i o n d i s t r i b u t i o np r o c e s s 3 m o d e l i n gm e t h o do fc o m p o n e n tc o n t e n ts o f t - s e n s o rf o rc o p p e re x t r a c t i o np r o c e s si s p r o p o s e db a s e do nt h ep r i n c i p l e sm o d e lc o m b i n e dw i t ht h el s - s v mm o d e l ，w h i c hr e a l i z e s o n - l i n ep r e d i c t i o no ft h ec o p p e rc o m p o n e n tc o n t e n ti ne x t r a c t i o np r o c e s s t h et e s tr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h em o d e l i n gm e t h o di se f f e c t i v e 4 t h es t r u c t u r eo ft h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ee x t r a c t i o n p r o c e s ss o f t - s e n s o r a r ed i s c u s s e df o rh y d r o m e t a l l u r g yc o p p e rp r o c e s s 5 a tl a s t ，i m p l e m e n t a t i o nf r a m eo fo p t i m i z a t i o nc o n t r o ls y s t e ma n ds o f ts e n s i n gf o r h y d r o m e t a l l u r g yc o p p e re x t r a c t i o np r o c e s si sp r o p o s e d a n dt h e n t h es o f t s e n s i n g a p p l i c a t i o nd e s i g nf o rh y d r o m e t a n u r g yc o p p e ro p t i m i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：h y d r o m e t a l l u r g y ；c o p p e re x t r a c t i o n ；s o f t - s e n s o r ；l s - s v m 1 1 1 盖l、， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i la bs t r a c t i i i ， 第1 章绪论。1 1 1 湿法冶金简介1 1 1 1 湿法冶金的发展及其工艺过程1 1 1 2 萃取分离过程4 1 1 3 萃取过程组分含量测量方法6 1 2 铜萃取过程软测量方法的研究现状8 1 3 课题研究的目的及意义8 1 4 本文主要工作1 0 第2 章软测量方法概述。1 1 2 1 软测量方法原理1 2 2 1 1 辅助变量的选择。1 3 2 1 2 数据采集及预处理1 4 2 1 3 主导变量与辅助变量之间的时序匹配。1 5 2 1 4 软测量模型的建立。1 5 2 1 5 软测量模型在线校正1 6 2 2 软测量建模方法1 6 1 12 2 1 机理建模1 7 2 2 2 数据建模1 7 2 2 3 混合建模。2 0 2 3 支持向量机21 2 3 1 原理2 1 2 3 2 核函数2 5 2 3 3s v m 参数2 6 2 3 4 支持向疑机算法的改进2 6 1 v 东北大学硕士学位论文目录 2 4 本章小结2 8 第3 章基于l s s v m 的铜萃取组分含量软测量方法2 9 3 1 铜萃取过程描述2 9 3 2 最小二乘支持向量机( l s s v m ) 3 1 3 2 1 最小二乘支持向量机( l s s v m ) 基本原理3 1 3 2 2l s s v m 参数选择- 3 4 3 3 铜萃取过程机理模型的建立3 5 3 4 铜萃取组分含量软测量模型的建立与仿真3 7 3 4 1 铜萃取过程混合模型的提出3 7 3 4 2 基于l s s v m 的分配比子模型建立3 8 3 4 3 实验仿真。4 0 3 5 本章小结4 2 第4 章铜萃取过程控制系统实现4 3 4 1 系统实施总体框架4 3 4 2 控制系统设计4 4 4 2 1 下位机p l c 4 4 4 2 2 上位机监控软件设计4 9 4 2 3 后台预报系统。5 1 4 3 铜组分含量的直接控制方案探讨5 2 4 4 本章小结5 4 第5 章总结与展望5 5 参考文献5 7 致谢一6 1 v ! c 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 众所周知，资源问题已经成为我国乃至世界可持续发展战略的根本问题。事实上， 随着国民经济的快速增长，我国工业化进程的不断推进，有色金属资源枯竭形势十分严 峻。而另一方面，我国却蕴藏着大量的低品位有色金属资源。因此，近年来国家发改委 重大产业技术专项中也把如何处理低品位、复杂有色金属矿物列为重点内容。如何经济 有效地利用低品位有色金属矿物资源，对我国的可持续发展具有重要意义。 在低品位多金属难处理矿的多金属综合回收工艺中，多金属的分离是实施综合回收 的关键技术。在国外，大规模处理低品位有色金属资源的技术已相当成熟。然而我国处 理和利用低品位金属矿产的资源的技术远远落后于美国、智利等国家，主要原因在于 综合利用率不高；综合利用技术及产业化水平较低。一些矿产综合利用工艺技术尚处 于研究开发阶段，一些关键技术和设备尚未解决，因此导致大量矿产资源未能综合利用； 综合利用产品的科技含量和附加值较低，有相当部分企业的矿产综合利用项目尚属低 层次的原料生产及粗加工利用，其产品档次较低、市场销路有限，经济效益不理想。但 近年来由于资源的严重短缺以及国外关于湿法冶金的研究报道不断增多，所以国家对此 给予了充分地重视。在可持续发展的战略方针指引下，基于能源、资源及环境保护的迫 切要求，湿法冶金在金属及其化合物的制备、分离和提纯，矿产资源的综合利用，有价 金属的回收和再生以及防止环境污染等方面，发挥了重要作用，并得到了迅速的发展。 湿法冶金能最有效地解决原料的综合利用，防止环境污染，建造生产能力高、单位 功率大的机组和极大地降低单位投资等问题。现有的湿法冶金企业采用了吸附工艺和萃 取工艺，这就有可能解决许多任务，通过生产现代化扩大企业生产能力，提高劳动生产 率，建立全部自动化的生产，提高有用组分的回收率和大幅度提高产品的质量。 1 1 湿法冶金简介 1 1 1 湿法冶金的发展及其工艺过程 1 1 1 1 湿法冶金的发展 湿法冶金“2 1 是将矿石、经选矿富集的精矿或其他原料经与水溶液或其他液体相接 触，通过化学反应等，使原料中所含的有用金属转入液相，再对液相中所含各种有用金 属进行分离富集，最后以会属或其他化合物的形式加以回收的方法。 湿法冶金是一个既年轻而又古老的技术。追溯历史公元d 矿2 0 6 年，也就是我国西汉 时代就有了从硫酸铜溶液中用铁置换铜，称为胆铜法，汉代淮南万毕术中已经有记 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 载。宋代( 1 0 8 6 11 0 0 年) 已用胆铜法生产铜，当时张潜著有浸铜要略，该书是最 早的湿法冶金的专著之一。湿法冶金由于需要很多的化学原料，所以它依赖于化学工业 的发展，因此早期的湿法冶金落后于火法冶金。1 8 8 8 年拜耳发明了用氢氧化钠溶液加热 浸出铝土矿中的三氧化铝，再经过熔盐电解法制取铝，是湿法冶金的一个重大发展。 在第二次世界大战时期，由于发展核武器的需要，成批的化学工程师和化学工作者 参与铀提取以及铀冶金的工作，从此溶剂萃取以及离子交换等化工分离技术进入了湿法 冶金，同时也创造了离子交换“树脂在浆 以及“溶剂萃取在浆”等技术，简化或者取 消了大量耗资的固液分离工序。随着原子能工业的发展，化学工程师又进入了核燃料的 后处理过程以及一些与原子能工业密切相关的稀有金属的提取工作，使湿法冶金技术又 有了新的发展。2 0 世纪中后期逐渐成为冶金学科中的一个独立分支，进而成为重要的二 级学科。 湿法冶金理论主要是依靠化学理论发展起来的，现在虽然还是以化学理论为基础， 但是由于学科交叉、互相渗透，它与地球科学、矿物学、物理学及一些工程科学都有关 系。湿法冶金与各类学科问的关系如图1 1 所示。 图1 1 与湿法冶金相关的学科 f i g 1 1s u b j e c t sr e l a t e dt oh y d r o m e t a l l u r g y 湿法冶金技术得到长足发展主要因为它在以下几方面中的优势： ( 1 ) 可以处理低品位物料，包括低品位原生硫化矿、氧化矿、表外矿及废弃的尾 矿，并可对一些低品位二次资源中的有价金属进行回收； ( 2 ) 可以处理复杂矿石，包括一些低品位复杂矿石及大洋锰结核，能够有效回收 其中的各种有价金属： 一 i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) 可以提高资源的综合利用率，在提取精矿中主金属的同时，可以回收一些伴 生的稀贵金属( a u ，a g 及铂族金属) 及稀散会属； “ ( 4 ) 劳动条件较好，有利于环保，较容易实现清洁生产； ( 5 ) 吸入了其他一些学科的理论与新技术，相关学科的发展也促进了它的发展。 综观湿法冶金的作用以及它所提取的金属之多，足以反映出它在冶金学中的地位及 在学科发展和国民经济发展中的作用。 1 1 1 2 湿法冶金的工艺过程 湿法冶金是一种在水溶液介质中通过化学或物理化学作用进行的化学冶金过程，通 常认为由四个主要工序儿引组成。 ( 1 ) 矿石的预处理：经过粉碎磨细矿石或经过焙烧，加压氧化细菌氧化等一系列 手段，使所含的金属能顺利的进入液相。 ( 2 ) 浸出：在复杂的分离流程中，浸出过程常常是分离过程的第一步，它既可起 到把有用物质从固体转到液体中的作用，又可起到分离的作用。浸出过程在湿法冶金过 程中是十分重要的，它是湿法冶金过程的第一步。浸出是在一定温度及压力条件下，将 矿粉与溶剂搅拌混合，使矿中的有用金属成分转入溶液，从而使金属与脉石分离。溶剂 的选择是个关键问题。对溶剂的要求一般是，金属浸出率高：不与脉石作用，否则损耗 大；腐蚀性小：最好是能再生而循环使用；就地取材。浸出溶剂通常为水、盐水溶液、 氨水、酸、碱等。浸出温度为2 5 _ 2 5 0 ，浸出压力为常压至5 0 大气压，用机械或气体 搅拌矿浆，浸出数小时后反应已完全。对于一种矿的浸出最佳条件，要由技术及经济的 权衡来确定。浸出时，除了矿石或焙砂中水溶性金属化合物是简单的物理性溶解外，要 在水溶液中经过化学反应之后才能使金属溶于水溶液。浸出操作要保证有较高的浸出 率，使金属资源得到充分利用。在工业上矿石的浸出率在8 5 棚5 ：当为精矿时，在浸 出几个小时后可达9 9 以上。在生产操作中，影响浸出率和浸出速度的主要因素有：矿 石粒度、搅拌速度、浸出温度、浸出剂浓度等，可以人为控制，保证浸出指标。 ( 3 ) 萃取：众所周知，溶剂萃取工艺早期在湿法冶金中的应用主要是用来提取核 燃料和稀有金属。当时，由于萃取剂昂贵，因此它的应用范围受到一定限制。七十年代 以来，由于有机化学、石油化工的飞速发展，为制造和使用新型价廉、特效的萃取剂提 供了条件。因此有色冶金便逐渐成为溶剂萃取应用的重要领域之一。 溶剂萃取是指将一种物质自水溶液中抽提到不与水相混合的有机溶剂中的过程。这 种溶剂萃取法可用于化学试剂制备、净化、富集、分离及化验，使用规模可自实验室微 量化学分析直至大规模工业生产。 目日i f ，溶剂萃取在有色及稀有金属的湿法冶余应用中共有四方面：金属浓缩，例 如将浸出液、废液、矿水等中的金属加以浓缩回收：余属分离，主要是分离性质相近 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的金属及共生金属；金属提纯。主要用于制备高纯金属化合物：把一种化合物变成 另一种，以便于进一步加工。在大多数场合下，溶剂萃取用于金属分离和提纯。 ( 4 ) 合成：富集、分离、纯化溶液中的有用金属，最后用各种方法以金属或化合 物的形式回收各种金属。 1 1 2 萃取分离过程 一 1 1 2 1 萃取的发展过程 溶剂萃取通常又叫液一液萃取，它的实质是利用溶质在两种不相溶或部分互溶的液 v 相之间的分配不同，来实现溶质之间的分离或提纯晦町口1 。 溶剂萃取最初只用在分析化学上，而真正的金属的溶剂萃取始于1 9 世纪，1 8 4 2 年佩 利戈特( p e l i g o t ) 发现了用乙醚可以从硝酸溶液中萃取硝酸氧化铀，但是在以后的近百 年的试验研究中溶剂化学只在分析化学领域得到了应用。到了二十世纪四十年代，出于 战争的需要，核燃料工业迅速发展起来，若继续采用传统的分级结晶、分级沉淀法，不 仅需要消耗大量的化学试剂，而且还会产生大量的放射性废水，得到的产品纯度也达不 到要求，这时候人们才对乙醚可以从硝酸溶液中萃取硝酸氧化铀的方法感兴趣。按照这 种方法1 9 4 2 年建成投产了世界第一座具有商业性质的溶剂萃取的提取铀的工厂。1 9 4 5 年 又发展了磷酸三丁脂萃取铀，这种萃取剂闪点高，毒性低，化学稳定性也好，它可以从 铀矿的硫酸浸出液中萃取铀。第一座从铀矿浸出液中萃取铀的工厂1 9 5 6 年投产，由于这 种方法的效能高，所以至u 1 9 6 0 年短短几年的时间全世界建立了二十几座相类似的工厂。 从此溶剂萃取得到了广泛的应用。 到了1 9 世纪7 0 年代以后，由于金属消费量的增长，矿石品位的下降；资源开采 的需要，一些低品位矿、尾矿、表外矿等的处理用火法冶金不再经济；环境保护的要 求的日益严格；回收复杂矿石的有用组分，丰富的海洋资源尚待开发。而这些矿石的 分离提纯常常是单纯的火法冶金不能奏效的。所以，溶剂萃取得到了前所未有的发展。 随着科学技术的发展，由于溶剂萃取具有选择性高，分离效果好，易于实现大规模 连续化生产的优点，经过5 0 多年的科研与应用实践，现在它已成熟地在有色金属湿法冶 j 金、化工、原子能等领域中得到大规模的应用。例如，在有色重金属的铜、镍、钴；稀 有高熔点金属的锆、铪、铌、钽、钨、钼、钒；稀有轻金属的铍、铷、铯；贵金属的铂、 钯、锇、铱、钌；稀散会属的铟、锗、镓、铊、铼以及稀土金属的分离提纯；化工产品 的分离与提纯；核料的前后处理上均有应用，而且在工业应用中获得了非常好的效果。 尽管在应用中人们也发现，溶剂萃取存在溶剂损失、二次污染、易燃、有气味等缺 点，但在专家们始终不懈的努力下，溶剂萃取在不断完善中得到了迅速发展。在国际上， 每3 年举行1 次国际溶剂萃取会议( i s e c ) 。我国建国以来，也召开了4 次溶剂萃取会议， - 4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 开展学术交流及探讨未来的发展，以求在理论、工艺及设备上有新的突破。 1 1 2 2 萃取过程相关术语 ( 1 )相与相比 相就是指体系中具有相同物理性质和化学组成的均匀部分。溶剂萃取中的两相通常 是含有萃取剂和稀释剂的有机相和含有金属离子的水相。 相比就是在萃取过程中有机相的体积和水相的体积的比例，通常用o a 来表示。 ( 2 )萃取体系 一个萃取体系是由有机相和水相来组成的，在同一个体系中两相互不相溶或基本不 互溶。 水相料液是指进入萃取级的含有一种或多种被提取或分离金属的水溶液。它与有机 相互相接触，料液中的金属向有机相中迁移的过程称为萃取。直到水相和有机相的化学 位相等，称为萃取平衡。静止分层后，水相称为萃余液，而含有金属的有机相称为萃取 液，亦称为负载有机相。有机相的最大负载能力( 即饱和度) 是指单位浓度萃取剂能含 有的金属的极限浓度。 反萃取是将负载有机相与反萃剂相接触，使某种被萃入有机相的金属转入水相的过 程是萃取过程的反过程，反萃后的有机相称为再生有机相，反萃后含有从负载有机相回 收的金属的水溶液称为反萃液。 有时在反萃取之前要从负载有机相选择除去某种金属或杂质，或者在反萃取后将溶 剂萃取降解产物或未能反萃的络合物从溶剂中除去，这些过程称为洗涤。 ( 3 )分配比 。= 错，它表示萃取体系达到平衡时，被萃溶质在有机相中的总浓度与水相中的 总浓度之比。 ( 4 )萃取比和萃取率 萃取比为被萃取金属进入有机相的总量与该金属在萃余液中总量之比，通常用e 表 示。 e ：掣尝罂：唑：d r ( 1 1 ) 。 水相中金属总量 m v “ 一“。 其中，v 和v 分别表示有机相和水相的体积，m 和m 分别表示金属在有机相和水 相中的平衡浓度。 萃取率表示萃取过程中金属被萃取到有机相中的份数。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ，7 ：篓凳翼笺攀x 1 0 0 - - 幽 1 0 0 矿了一而而灯0 0 ( 1 1 2 ) ；旦1 0 0 ；三1 0 0 卜一7 图1 2 萃取工艺流程图 f i g 1 2f l o wc h a r to fe x t r a c t i o n 除钙、镁的滤液中含有较多锌，需要进一步通过p 2 0 4 预萃除去。p 2 0 4 预萃萃余液 中仍然含有锰等杂质，需要迸一步通过p 2 0 4 主萃除去。p 2 0 4 主萃后的萃余液主要含有 钴、镍两种金属元素，需要利用p 5 0 7 进行钴、镍分离，以制备纯净的钴的化合物。 1 1 3 萃取过程组分含量测量方法 萃取分离过程的被控工艺参数较多，但关键是产品纯度。为此，必须对分离过程中 元素组分含量进行检测。由于元素间的化学性质相似，相互间分离系数小，使得工业上 普遍采用的由串级混合澄清槽构成的萃取分离流程级数多，机理复杂，作为控制对象具 有多变量、强耦合、非线性、时变及大滞后等特点。如何在连续的生产过程中对检测点 的元素组分含量进行在线检测对于生产过程的操作运行和自动控制具有十分重要的意 义，这已成为萃取分离生产中极其重要的研究课题们1 。目前元素组分含量测量方 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 法引主要有： ( 1 ) 离线检测是依靠人工取样，送往实验室进行分析检测。这种方法的特点是可 用适宜的分析仪器，采用可靠的分析方法，由训练有素的专业人员进行准确测定。不足 的是从采集样品、样品运送、实验室分析，再将分析结果报告给工艺技术人员，耗时较 长，往往会失掉信息的作用，难以实现对产品质量的控制。 ( 2 ) 现场检测是依靠人工取样，在生产现场进行分析检测。其特点是分析速度快， 仪器比较简单，操作方便。但这种方法仍需要把样品从生产线上转移到分析仪器。 一般分离厂在生产现场都能进行容量滴定，测定料液浓度、酸度以及萃取剂的皂化 度等。有的还配有分光光度计、荧光光度计来检测部分单一金属元素和一些金属杂质。 这些只是一些简单的检测，对实现产品质量特别是萃余液中的组分含量的分析是很困难 的。 ( 3 ) 在线分析采用自动取样系统，自动地、连续地从生产过程中抽取样品并送到 分析仪器中测量。其特点是能对生产过程进行实时监测，也有可能连续自动控制生产。 ( 4 ) 流程插入式在线检测是将探头直接插入生产流程中进行分析检测。其特点是 在时间上、空间上进行实时、原位监测，能直接实时地反映出生产流程中各种变化，无 需另设取样线路。 ( 5 ) 流程非接触式在线检测是探测器不直接与样品接触，靠敏感元件把生产流程 中化学组分检测出来。其特点是避免传感器与流程的物料接触，对生产过程无任何影响， 提高了传感器的使用寿命。 当今萃取分离工业正向着大型化、集中化和连续化生产的方向发展。国外有些萃取 分离生产线己实现了在线分析与自动控制联网，使工艺参数最优化，产品质量得到可靠 保证。近年来，我国自行研制的萃取过程分析仪器在国内一些萃取分离厂家得到应用， 使萃取分离获得了有效的监控，取得了较好的效益。但目前萃取分离过程在线检测装置 功能还不完善，产品化程度不高，价格缺乏竞争力，还不能全面满足萃取分离过程连续 在线检测的要求，迄今为止萃取分离过程在线检测技术尚未普遍应用于萃取分离工业生 产实践。 软测副培1 4 m 1 5 3 是一种用于估计生产过程中难以在线检测变量的技术。其基本思想是 将控制技术与生产工艺过程有机结合，对于难以检测或根本无法测量的关键工艺参数 ( 主变量) ，选择另外一些比较容易测量的工艺参数( 辅助变量) ，通过建立测量模型来 诊断和估计，以软件代替硬件( 传感器) 的功能。软测量在线测量元素组分含量具有可 靠、经济的特点，且动态响应迅速，可连续给出萃取过程中元素组分含量，对出口产品 纯度进行预测控制。因此，软测量成为萃取分离生产过程组分含量在线检测的一条新途 径刚【引。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 铜萃取过程软测量方法的研究现状 目前，很多学者对铜萃取分离过程的流量控制问题进行了一系列的研究，取得了较 好的研究成果。例如：铜萃取分离过程自动控制系统，详细研究了应用软测量技术实现 铜萃取分离过程的优化控制，通过前馈补偿和反馈补偿来校正萃取剂、料液、洗涤液等 流量控制回路的优化设定值，同时利用测点组分含量的化验值与元素组分含量软测量模 型预报值，通过自适应校正机构对元素组分含量软测量模型进行校正，提高模型预报精 度，从而实现以产品纯度指标为目标的铜萃取分离过程优化控制，该技术将控制技术与 生产工艺过程有机结合，具有响应迅速，能连续给出必测变量信息，且投资少，维护保 养简单，易使用于控制中等优点；基于两层结构：回路控制层和回路优化设定层来实现 铜萃取分离生产过程的智能优化控制，提高了产品纯度、金属回收率，减少了资源消耗， 提高了设备运转率，有很高的推广价值；采用基于案例推理技术应用于铜萃取过程优化 设定控制，实现了铜萃取分离生产过程的流量优化控制和优化运行等等。 此外，国内各地的有色金属研究所、有色冶金研究所、稀土研究所在稀土萃取分离 生产过程的控制方面也做了大量的研究，取得了一定的成效。在比较和吸收各种流量控 制技术的基础上，研制了多功能微机控制的萃取流量控制器。该系统具有好的精确度和 实时性，使用灵活，成本较低，以较高的性价比满足了萃取生产中的各种需要。研制多 路加料控制系统，采用日本三菱公司的f l 一2 4 0 m r 可编程控制器，利用该控制器可以 同时对多路加料溶液流量进行控制。计量器是根据工艺参数要求而设计中间容器。该自 动控制系统加料准确、稳定，并可降低劳动强度，适用于稀土萃取分离工艺中的加料流 量控制。所以有关稀土的研究成果在铜萃取软测量上完全可以进行推广。 铜萃取分离流程复杂，而且萃取分离过程中铜元素组分含量难以在线检测，很难用 常规方法建立萃取分离过程数学模型和实现产品纯度为目标的优化控制。软测量技术提 供了一种在缺乏系统精确机理模型的情况下，利用丰富经验数据，应用数据拟合的方法 对其中的未知参数进行辨识，然后与机理模型相结合以达到对问题的求解。达到萃余液 中所期望的铜金属的浓度到达最优值的目的。 1 3 课题研究的目的及意义 随着国民经济的快速增长，我国工业化进程的不断推进，有色金属资源枯竭形势十 分严峻。而另一方面，我国却蕴藏着大量的低品位有色金属资源。这为我们进行的低品 位矿的提取分离有用金属提供了必要性。目前，软测量技术的发展研究为我们提供了可 能性。萃取分离过程中组分含量是一个衡量萃取过程进行的程度以及达到的水平的最重 要最直接的参数，所以一直以来人们对如何进行组分含量的测量成为研究的热点。由于 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 组分含量难以在线测量，而软测量技术又是通过辅助可测的变量的测量来达到测量主变 量的目的，所以组分含量的软测量问题成为了萃取过程的研究热点和急待解决的问题。 由前面关于工艺流程的介绍和分析可以看出，萃取原料组分多( 最多可达十几种) ， 各元素组成变化大，影响分离效果因素多，各元素间分离系数小，因此工业生产所需萃 取分离流程级数多、萃取过程机理复杂，各级都将进行复杂的萃取平衡反应。控制变量 如萃取液、洗涤液或料液流量的调节作用通常必须经过较长时间的逐级传递才能影响到 两端出口产品纯度。 由于串级萃取分离过程具有多变量、强耦合、非线性、时变及大滞后等特点。在线 检测萃取分离过程中各组分含量对于生产过程的操作运行和自动控制具有十分重要的 意义。目前应用于稀土萃取分离过程中组分含量在线检测的主要方法有紫外可见分光光 度法、流动注射法、k f 3 离子选择电极法和同位素激发x r f 法。由于这些方法可靠性 不高，投资大、且存在测量滞后难以满足萃取过程组分含量在线检测要求。本文用软测 量方法实现元素组分含量在线估计，由于铜萃取、p 2 0 4 预萃、p 2 0 4 主萃、p 5 0 7 萃取的 各个过程基本一致，所以本文以铜萃取为研究对象进行了研究。该项目的研究结果，将 有利于组分含量的测量预测的理论的研究，具有重要科学价值和实际意义。 另一方面，随着电子技术和计算机应用技术的飞速发展，现代工业过程大都具有完 备、甚至冗余的传感测量装置，可以在线获得大量的过程数据，譬如温度、p h 值、流 量等测量值。显然，这些过程数据中含有生产过程运行状态以及可用于预测最终产品质 量的有用信息。因此基于数据的统计监测方法吸引了科研人员的广泛关注。 作为- f - j 有着广阔发展前景的新兴工业技术和综合自动化的关键技术之一，软测量 技术近年来取得了较大的进展，目前已经成为过程控制行业中令人瞩目的研究领域。由 于无论工业过程的控制、优化还是检测都离不开对过程主导变量的检测，软测量成为各 种控制方法成功应用的基础，所以m c a v o y 将软测量研究看作化工过程控制研究的首要 问题u 引。目前，国内外越来越多的学者开始了软测量的研究，软测量的研究已经涉及到 了石油、化工、食品、生物、冶金等许多工业应用领域。研究也逐渐拓展和深入，软测 量的理论体系已逐渐开始完善。但是由于各种原因，软测量应用到萃取过程这一领域的 研究仍然存在大量的空白和难点值得进行深入的理论和应用研究，国内在这一研究方向 的工作还处于起步阶段。一个可行有效的在线检测方法不仅可以保证萃取过程安全可靠 的运行、连续稳定的生产高质量的产品；还将推动整个湿法冶金过程的发展和提高。 萃取过程中组分含量的软测量技术不仅对实验室研究带来了巨大的好处，对企业来 说，更能带来巨大的经济效益。 ( 1 ) 生产过程得到控制，可以大大降低不良产品率，减少停止损失，节省大量的 时问和资余。 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 ( 2 ) 品质问题得到及时的解决，产品质量持续改善，高质量的产品将更具有市场 竞争能力，创造更高的经济效益。 ( 3 ) 生产过程管理的信息化，必将大幅度提高生产效率。 综上所述，开展萃取组分含量的软测量方法的研究，是一个既有理论意义，又有很 高应用价值的研究课题。一系列完善可行的萃取过程组分含量的软测量模型以及建模方 法必将推动整个萃取过程的长足进步和繁荣发展，为社会提供高质量产品的同时，还可 排除安全隐患，保障生命和财产安全、节约资源、保护环境，提供更加重要的无形的社 会财富。 1 4 本文主要工作 为解决湿法冶金中萃取分离过程组分含量在线检测与自动控制的难题，国家“8 6 3 计划“十一五”项目一选冶过程测控关键技术与设备的子课题“湿法冶金过程优化控制 软件系统开发 ( n o 2 0 0 6 a a 0 6 0 2 0 1 ) ，对湿法冶金生产过程的关键自动化技术进行攻关。 本文以该项目研究内容为背景，针对萃取分离生产过程中元素组分含量在线检测的难 点，采用软测量技术实现萃取分离过程元素组分含量的测量。在深入分析湿法冶金铜萃 取分离过程特点的基础上，将萃取过程机理建模与数据建模方法相结合，开展萃取分离 生产过程组分含量软测量方法的研究。 本文的具体工作为： 第一章系统地介绍了湿法冶金过程和铜萃取分离过程的主要工艺流程，阐述了铜 萃取软测量方法的研究现状。 第二章系统的介绍了软测量方法的基本原理以及核心理论，概括了各种软测量方 法的特点，并且对各个方法进行了比较，详细介绍了支持向量机理论。 第三章描述了铜萃取分离过程原理及工艺流程，通过对机理的分析建立了机理模 型，并且确定了分配比软测量模型的辅助变量的选择，介绍了最小二乘支持向量机的原 理、算法，实现了铜萃取组分含量的软测量建模。 第四章系统介绍了下位机控制系统、上位机监控软件和萃取软测量模型控制系统 的开发设计实现。 第五章对论文所研究的内容进行了回顾，并对后续工作的技术研究做了展望。 1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章软 近年来，随着现代科学技术的迅猛发展 工和电力等已经发生了显著的变化，以前简 足现代生产工艺的要求。为了保证生产过程 制和优化控制纷纷被应用于现代生产过程中 多产品质量变量的在线测量。另一方面，在 企业赖以生存和发展的关键。我国己经提出 质量作为一项基本国策来对待。对产品质量 新高度。目前，对产品质量的直接控制比任 然而，不管是在先进控制手段的应用过 个最棘手的问题就是难以对产品的质量变量 指标，还有一些与产品质量密切相关的重要过程参数，如化学反应器中反应物浓度和产 品分布、生物发酵罐中的生物量参数、精馏塔的塔顶和塔底产品的组分浓度、萃取槽各 级的金属离子浓度等等，由于受工艺和技术的限制而难以或无法通过硬件传感器在线检 测。目前，生产过程中通常采用定时离线分析的方法，即每隔几小时采样一次，送化验 室进行人工分析，然后根据分析值指导生产。由于人工分析通常滞后几个小时，且采样 周期较长，因此远远不能满足在线控制的要求。 为了解决这类变量的控制问题，工业上往往采用以下两种方法：即间接质量指标控 制和直接质量指标控制。所谓间接质量指标控制是指通过对与质量变量相关的其它变量 进行控制从而达到间接控制质量变量的目的，如