试析稀土萃取分离的综合自动化系统

时间：2024-11-02

钟亮

（虔东稀土集团股份有限公司，江西赣州 341000）

我国的稀土资源相对比较丰富，稀土分离工业的规模和产品产量也得到了有效的发展。但是随着社会经济的进一步发展，稀土工业生产逐渐呈现集中化、大型化以及连续化的发展趋势，要求其进行更加高效和稳定的自动化生产，目前我国的稀土工业生产的自动化水平相对较低，导致生产效率较低，并耗费了大量资源，产品的质量也不能得到稳定，严重影响了稀土企业的发展，并阻碍了我国可持续发展目标的实现，因此对稀土萃取分离的综合自动化系统进行研究具有十分重要的意义。

1 稀土萃取分离的相关概述

稀土的组成元素一共有17种，其是一个金属大家族，在自然界当中一般以共生矿和离子矿的形式存在。因为稀土元素之间的化学性质比较相似，所以对其进行分离工作存在较大的难度[1]，并且稀土元素在实际应用当中不仅需要纯度较高、质量较高的产品，同时还会稀土杂质等具有较高的要求，更是进一步增加了稀土元素分离的难度。

稀土进行萃取和分离的过程，主要是分离、富集以及提取混合稀土溶液当中所需纯度和收率的稀土产品，假设易萃组分为A，难萃组分为B。稀土具体萃取和分离的过程入下图所示。

图1 稀土萃取和分离的过程图

上图中n表示n级的混合澄清槽构成的萃取段；m表示m级混合澄清槽构成的洗涤段；u1表示稀土料液的流量；u2表示有机溶剂的流量；u3表示有机皂化氨水流量；u4表示洗涤液流量；y1表示水相出口产品B的纯度；y2表示产品A的纯度；y3、y4表示工业控制监测点的稀土元素的组分质量分数。

将含有被分离组分的A产品和B产品的水相稀土料液从进料段中以u1的流量进入到萃取槽内，有机溶液和皂化氨水溶液以u2和u3的流量进入萃取槽，并在萃取槽内放入u4的洗涤液，其中萃取段的主要作用就是让料液当中的大部分A和少许B萃取有机得到一定的负载有机相，洗涤段的主要作用就是让洗涤液接触到有机相，将含有B的绝大部分洗入水相当中。因为萃取槽的结构相对比较特殊，并加上在萃取分离过程中拥有一定的搅拌作用，会让各级萃取槽内的有机相从左往右产生逆向的流动，经过萃取和洗涤之后，最后从萃取段的第一级就可以得到含有B、纯度为y1的水相出口产品。

2 稀土萃取分离的综合自动化系统研究

2.1 流量控制分析

稀土在萃取分离的过程中，对各类给料流量进行精准的控制，是让整个生产线实现稳定产出的重要基础。一般情况下，稀土萃取分离过程中使用的料液具有较强的腐蚀性和油溶性。通过调查可以知道，目前我国的稀土企业一般使用耐腐蚀性能较好的转盘流量控制装置对给料流量进行控制，通过对电机的转速进行调节，对各种料液的流量进行控制，并且还有一些会将计量泵与调速器、变频器等结合起来，让其形成闭环的流量控制系统。计量泵等设备为被控对象，PLC会对调速器下达相应的命令，要求调速器等按照相关的指令对电击转速进行控制，让料液流量实现有效控制。

中流量计量装置根据流量计的结构形式不同，可以分为容积流量计、电磁流量计等类型，通过结合工艺、对正常流量的要求以及相关介质的特点，一般采用不锈钢金属转子流量计，该类流量计的抗腐蚀能力较强。在实际计量的过程中还可以根据不同的流量范围，选择电磁流量计、质量流量计等设备，但是这些流量计设备的价格相对较高，如果选用应将其价值充分发挥出来。

2.2 液位控制研究

液位控制系统一般由传感器和液位控制器组成。稀土在萃取分离的过程中一般都将各种溶液储存在防腐蚀性性能较高的储罐当中，因为料液的腐蚀能力较强，且容易挥发，所以实际生产的现象应该使用PLC和液位计等构成的液位监控系统。其中PLC主要是对液位计的输出信号进行读取，并将其转换后得到实时的液位值，然后依据储罐的设定值对储罐内液位是否处于标准范围内进行判断。如果储罐内的液位较低或者较高时，就会立马报警，并在操作站的显示屏上显示危险标志。液位控制系统的主要工作原理就是：现场接受槽接受萃取分离槽产出的料液后，会经过远程的贮槽进行处理，泵与泵槽之间主要使用自动连锁的装置，当泵槽内的液位到达限定值时，就会启动泵，当其液位下降到下限值时就会关闭泵，如果远程贮槽内的料液液位较高时，就会停止输送状态，并发出警报声，让相关的工作能源能够进行及时的处理，让萃取分离的质量和效率得到一定的保证。

在液位控制系统中，液位控制器一般可以分为逻辑控制和数字控制两种类型。其中逻辑控制器主要使用防腐浮球和微动的开关对液位进行感知和检测，泵使用低压的继电器进行控制，当检测的信号传入逻辑控制器之后，控制器就会根据信号的运算在中心继电器中输入相应的控制信号[2]，如果信号满足报警条件时，逻辑控制器就会发出相应的警报声，让值班人员进行相应的处理，一般情况下将报警器放置在值班人员的控制室或者现场内容，让操作人员的操作更加方便。

数字控制器主要是利用DCS控制系统对液位进行控制[3]，在实际控制的过程中主要采用超声波液位计将检测的信号传递到控制系统的DI模板当中，并且DO模板会输出相应的控制信号到中心继电器中，对交流接触器进行控制，从而实现电机的控制工作。

2.3 在线分析检测研究

稀土萃取分离的生产过程非常复杂，其具有滞后性、非线性等特点，如何在生产过程中在线监测和优化控制稀土元素组分的含量，从而保证产品的质量是目前稀土萃取分离生产中重点研究的内容。

稀土萃取分离过程的监测主要包括离线、现场分析以及在线监测等阶段，其中离线分析主要是通过工作人员进行取样，并送入实验室使用专门的起义进行分析检测，整个过程由人工进行，耗时相对较长，并且在进行的过程中无法保证产品的质量，容易出现废品和次品的情况。所以在线检测方法的出现是必然趋势，其能够在一定程度上提高产品生产的质量和效率。目前比较常用的在线检测方法包括同位素激发的XRF方法、紫外、可见分光光度方法以及X射线荧光方法等。而在稀土萃取分离中进行在线监测，就必须要将检测的原理、传感器以及被检测对象的连接等内容解决好，使用在线检测装置能够实时分析料液组分以及分离的效果，并通过计算机显示屏显示相应的检测分析结果，与工艺参数计算的软件相结合，还能对流量进行及时调整，能够进一步提高收率和产品质量。但是目前在线监测系统的使用效果还不明显，且投资较大，设备的耐腐蚀能力较差，运行维护的费用相对较高，所以需要相关的设计人员充分结合机理分析以及神经网络技术，提出在线分析的测量技术，也就是使用软测量技术构建出相应的数据关系模型，利用相关的工艺参数将元素组分含量的工艺参数推断和计算出来，不断提高稀土萃取分离的在线监测能力。

2.4 系统整合研究

通过整合流量、液位控制以及在线分析监测系统，在各个萃取槽段安装流量给料装置、稀土在线的分析探头等装置，并在控制室内集中安装接口、显示、分析仪器以及控制器等，保证CRT能够实时将运行的状态显示出来，让工程技术人员能够对车间运行的控制情况进行远程掌控，及时下达相应的工艺指令，不断提高管理效率。稀土萃取分离综合自动化系统能够显示稀土分离过程中的实时流量和累计流量，实现有效的自动控制目标，生产出更加优质的产品。