基于介尺度的湿法冶金关联反应器建模与控制

Hydrometallurgy is a complex process, in which the interconnected reactors is large- scaled, the boundary conditions are complicated, the critical reaction balance is easily damaged, and the system is multi-scale coupled. Because of these characteristics, the performance fluctuates frequently, and the dynamic adjustment is difficult, which has a serious influence on product output, quality and energy consumption. Therefore, this project will discuss the formation mechanism of meso-scale structures in hydrometallurgical multiphase flow reaction system, and analyze the rule of the changes of meso-scale structures influencing on reactors' mass transfer, heat transfer and apparent kinetics etc. Based on the meso-scale structures, a two-way coupling model of transferring and reaction is presented, as well as the CSTR model of hydrometallurgical interconnected reactors. The stability analysis method for large range of parameter stability regions is presented based on singular value and bifurcation theory, which will solve the problem of stability analysis in hydrometallurgical interconnected reaction under the limited conditions of process index. Based on the distribution trend of process index, the decentralized coordination control method is proposed.The system closed-loop stable oriented process index can be realized by decentralized coordination control. Combining the simulation and application research in goethite sinking iron process, the effectiveness and feasibility of the proposed method is tested. The systematic of precise modeling and control method for hydrometallurgical interconnected reactors is formed. The industrial application of our results have an important significance for promoting the green smelting and cleaner production in hydrometallurgy enterprise.

湿法冶金关联反应器规模大、边界条件复杂、临界反应平衡极易破坏，系统多尺度耦合特性造成工况波动频繁，动态调整困难，严重影响了正常生产及产品产量质量和能耗。为此，本项目探讨湿法冶金多相流动反应体系中介尺度结构的形成机理，深入分析介尺度结构变化对反应器传质、传热和表观动力学等特性的影响规律，构建基于介尺度结构的传递与反应双向耦合模型，建立基于介尺度的湿法冶金关联反应器CSTR模型，提出基于奇异值和分岔理论的大范围参数稳定域的稳定性分析方法，解决融入工艺指标约束条件下湿法冶金关联反应过程的稳定性分析难题；在此基础上，提出面向工艺指标分布趋势的分散协调控制方法，实现工艺指标闭环稳定控制；结合仿真研究和针铁矿法沉铁过程的工程应用研究，验证所提方法的可行性和有效性；形成较为系统的湿法冶金关联反应器精细化建模与控制方法，成果的工业应用将有力地推动湿法冶金企业绿色冶炼、清洁生产。

本项目针对针铁矿法沉铁过程关联反应器规模大、边界条件复杂、临界反应平衡极易破坏，系统多尺度耦合特性造成工况波动频繁，动态调整困难等问题，在深入分析界面非均相反应机理的基础上，考虑传质对气液固三相反应速率的影响，从传质推动力角度研究了针铁矿法沉铁过程的介尺度模型及控制，取得了以下创新性成果：（1）在分析和简化反应单元的前提下，对含有瞬间化学反应氧气吸收过程进行了理论分析，考虑串联膜阻力对传质的影响，将氧化反应过程中反应物的传质阻力分为气膜阻力主导和液膜阻力主导两阶段进行分析，并确定模型参数；（2）结合牛顿定律，建立气泡在液体中上浮过程运动特征模型为了解气液界面变化提供基础，分析气液、液固传质速率与化学反应之间的关系，建立气液、液固界面反应模型；从固液界面反应的机理出发，根据收缩反应芯原理建立固液反应界面反应速率模型；(3)建立了针铁矿法沉铁过程的机理模型, 并提出了基于信息交换的双粒子群搜索算法优化选择机理模型的参数, 构建基于最小二乘支持向量机的机理模型输出误差的补偿模型, 采用并联补集成方式建立了亚铁离子浓度的集成预测模型；(4)根据针铁矿沉淀形成的条件和结合流程工艺要求, 优化设定每个反应器出口的亚铁离子浓度,建立针铁矿法沉铁过程氧化速率优化控制模型，采用控制参数化方法将最优控制求解问题转化为非线性规划，通过状态转移优化算法求取最优的氧气和氧化锌控制率，合理控制沉铁过程亚铁离子的氧化速率；(5) 通过集成机理模型和数据驱动的误差补偿模型，建立了亚铁离子浓度的集成预测模型，基于沉铁过程反应的分析和将反应单元视为连续搅拌釜模型，建立了沉铁过程的机理模型，对于机理模型中未知参数，提出了基于信息交换和可行域动态调整的双粒子群优化算法优化选择参数值，为提高集成模型的自适应能力，提出了一种模型更新策略以及基于灵敏度分析的参数校正方法，实现预测模型的在线自适应更新。