申请/专利权人：五矿(北京)稀土研究院有限公司

申请日：2018-03-06

公开（公告）日：2022-01-14

公开（公告）号：CN108536909B

主分类号：G06F30/20(20200101)

分类号：G06F30/20(20200101);B01D11/04(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2022.01.14#授权;2018.10.16#实质审查的生效;2018.09.14#公开

摘要：本发明属于溶剂萃取分离技术领域，涉及一种多组分联动萃取分离流程设计系统及设计方法。所述设计系统包括数据输入模块、流量计算模块、级数计算模块和结果输出模块，所述的流量计算模块用于根据所述的数据输入模块输入的待分离组分及其数目构建全分离流程图，并由上至下逐层级计算所述的全分离流程图中各分离单元所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中各组分分流量，以及同一层级相邻分离单元采取出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中各组分分流量。利用本发明的设计系统及设计方法，能够在用于稀土联动萃取分离流程的工艺设计时，减小确定优化工艺参数的工作量，并有充分依据准确的判定理论最小萃取量和最小洗涤量。

主权项：1.一种利用多组分联动萃取分离流程设计系统进行多组分联动萃取分离流程的设计方法，所述的设计系统包括数据输入模块、流量计算模块、级数计算模块和结果输出模块，所述的数据输入模块用于输入待分离组分数t，待分离的组分A1、A2、…、At，待分离组分间的分离系数最终产品中杂质要求以及计算精度要求；其中，t≥3，1≤i≤t-1，待分离组分在所使用的萃取体系中按被萃取难易程度由易到难的顺序为A1、A2、…、At；所述的流量计算模块用于根据所述的数据输入模块输入的待分离组分及其数目构建全分离流程图，并由上至下逐层级计算所述的全分离流程图中各分离单元所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量，以及同一层级相邻分离单元采取出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量；所述的级数计算模块用于计算各分离单元所需的萃取段级数和洗涤段级数；所述的结果输出模块用于根据所述的流量计算模块和所述的级数计算模块的计算结果，输出带有流量数据和级数数据的全分离流程图、各层级物料中所含组分在两相中的百分含量变化图，所述的设计方法包括如下步骤：1由所述的数据输入模块输入待分离组分数t，待分离的组分A1、A2、…、At，待分离组分间的分离系数最终产品中杂质要求以及计算精度要求；2由所述的流量计算模块根据所述的数据输入模块输入的待分离组分及其数目构建全分离流程图，并由上至下逐层级计算所述的全分离流程图中各分离单元所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量，以及同一层级相邻分离单元采取出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量；3由所述的级数计算模块计算各分离单元所需的萃取段级数和洗涤段级数；4由所述的结果输出模块根据所述的流量计算模块和所述的级数计算模块的计算结果，输出带有流量数据和级数数据的全分离流程图、各层级物料中所含组分在两相中的百分含量变化图；5根据最低分离层级，即使用的料液中含2个组分的分离层级的计算结果，汇总确定多组分联动萃取分离流程的最小萃取量和最小洗涤量，其中：步骤2中，对于第I类分离单元，当使用的料液为水相时，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量的计算公式分别为： 其中1≤i≤t且：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量； 为A1和At两组分间的分离系数； 为Ai和At两组分间的分离系数； 为Ai组分在水相料液中的流量，且有 和分别为联动衔接前Ai组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量； 和分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；对于第I类分离单元，当使用的料液为有机相时，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为： 其中：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量； 为A1和At两组分间的分离系数； 为A1和Ai两组分间的分离系数； 为Ai组分在有机相料液中的流量，且有 和分别为联动衔接前Ai组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量； 和分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；对于第I类分离单元，当使用的料液为水相和有机相两种料液时，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为： 其中：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量； 为A1和At两组分间的分离系数； 为A1和Ai两组分间的分离系数； 为Ai和At两组分间的分离系数； 为Ai组分在水相料液中的流量； 为Ai组分在有机相料液中的流量； 和分别为联动衔接前Ai组分流出第1级的水相流量和第n+m级的有机相流量； 和分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；对于第II类分离单元，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为： 其中p≤i≤q且：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；Ap和Aq分别为分离单元料液中编号最小和编号最大的组分； 为Ap和Aq两组分间的分离系数； 为Ap和Ai两组分间的分离系数； 为Ai和Aq两组分间的分离系数； 为Ai组分在水相料液中的流量； 和分别为联动衔接前Ai组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量； 和分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量； 为自进料级引出至高层级提供料液的分离单元有机相中Ai组分的分流量；ysum为自进料级引出至高层级提供料液的分离单元有机相中所有组分流量之和，且有：ysum＝SminH27其中SminH为提供料液的高层级分离单元所需的最小萃取量，对于第III类分离单元，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为： 其中p≤i≤q且：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；Ap和Aq分别为分离单元料液中编号最小和最大的组分； 为Ap和Aq两组分间的分离系数； 为Ap和Ai两组分间的分离系数； 为Ai和Aq两组分间的分离系数； 为Ai组分在有机相料液中的流量； 和分别为联动衔接前Ai组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量； 和分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量； 为自进料级引出至高层级提供料液分离单元水相流中Ai组分的分流量；xsum为自进料级引出至高层级提供料液分离单元水相流中所有组分流量之和，且有：xsum＝WminH34其中WminH为提供料液的高层级分离单元所需的最小洗涤量。

全文数据：一种多组分联动萃取分离流程设计系统及设计方法技术领域[0001]本发明属于溶剂萃取分离技术领域，涉及一种多组分联动萃取分离流程设计系统及设计方法。背景技术[0002]上世纪70年代，北京大学徐光宪先生提出了可用于稀土分离的串级萃取理论，并发展了串级萃取的计算机静态设计和动态仿真技术，实现了稀土分离工艺设计参数“一步放大”到工业规模生产，从而促进了我国稀土分离工业的高速发展。本世纪初，为进一步降低多组分全分离过程中的化工辅料消耗及污染物排放，发展了联动萃取分离技术，该技术目前已成为我国稀土分离工业中的基本技术。[0003]联动萃取分离技术的核心是通过将多组分分离流程中不同分离单元进行横向或纵向衔接，使某些分离单元产生的负载有机相或水相物料溶液供给其它分离单元用做萃取有机相或洗涤液使用，从而避免了各分离单元重复消耗化工试剂，达到了减少流程总消耗的目的。由于此过程要求各分离单元联动运转，故称之为联动萃取分离技术。[0004]联动萃取分离技术也被称为模糊联动萃取技术。许慧等参见:包头混合型稀土矿模糊联动萃取新工艺的研究，稀有金属与硬质合金，453:1-4,2017、赵治华等参见：白云鄂博稀土矿联动萃取分离流程的经济技术指标比较，中国稀土学报，341:70_76，2016描述了模糊联动萃取的特点，设计了几种LaCePrNd四组分联动萃取流程，并将它们与传统流程的经济性进行了比较分析。但就化工试剂消耗而言，所有这些设计的联动萃取流程都未能达到最优化。含A1J2^sAt共t个组分的最优化联动萃取全分离流程需如图2所示，其中每个方框所代表的分离单元均需通过出口或进料级衔接方式与其它分离单元进行联动，以最大限度降低流程的总化工试剂消耗。[0005]稀土分离工艺的优化设计主要基于徐光宪先生提出的串级萃取理论（参见:徐光宪，稀土上），北京:冶金工业出版社，1995。最小萃取量和最小洗涤量代表给定分离过程所需的化工试剂理论最小消耗量，尽可能接近理论最小萃取量和最小洗涤量是稀土分离工艺设计的重要内容。早期的串级萃取理论给出了两组份分离所需的理论最小萃取量和最小洗涤量的计算公式，但并不能准确适用于多组分的分离体系。吴声等在此基础上，发展了求解多组分、多出口分馏萃取体系静态设计的精确算法，并设计了动态仿真模拟软件对设计结果进行验证参见:吴声等，中国稀土学报，221:17222:171，2004。[0006]虽然这些方法可以用于稀土联动萃取分离流程的工艺设计，但优化的工艺参数需从大量计算结果中择优确定，因此工作量大，且缺乏判定所选结果是否已是理论最小值的依据。发明内容[0007]本发明的首要目的是提供一种多组分联动萃取分离流程设计系统，以能够在用于多组分联动萃取分离流程的工艺设计时，减小确定优化工艺参数的工作量，并有充分依据准确的判定理论最小萃取量和最小洗涤量。[0008]为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种多组分联动萃取分离流程设计系统，所述的设计系统包括数据输入模块、流量计算模块、级数计算模块和结果输出丰旲块；[0009]所述的数据输入模块用于输入待分离组分数t，待分离的组分M、A2、…、At，待分离组分间的分离系数最终产品中杂质要求以及计算精度要求;其中，t_l，待分离组分在所使用的萃取体系中按被萃取难易程度由易到难的顺序SA1J2、…、At；[0010]所述的流量计算模块用于根据所述的数据输入模块输入的待分离组分及其数目构建全分离流程图，并由上至下逐层级计算所述的全分离流程图中各分离单元所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量，以及同一层级相邻分尚单兀米取出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量；[0011]所述的级数计算模块用于计算各分离单元所需的萃取段级数和洗涤段级数；[0012]所述的结果输出模块用于根据所述的流量计算模块和所述的级数计算模块的计算结果，输出带有流量数据和级数数据的全分离流程图、各层级物料在两相中的百分含量变化图。[0013]对于本发明的多组分联动萃取分离流程的设计系统及设计方法，其中的一些原理和概念解释如下。[0014]1在特定溶剂萃取体系萃取由易到难顺序为心、如、···、、的待分离组分，这些组分之间的萃取反应均符合交换萃取机理，即任意两组分、和A1间的萃取反应均按以下交换反应式进行，具有混合萃取比恒定特征：[0016]其中，L为萃取齐lj，z为萃合物中组分结合萃取剂的数目。[0017]2图2中，料液中含有相同组分数的分离单元排列在同一个分离层级，按它们料液中所含最难萃组分由难萃至易萃的顺序在流程图中由前至后排列，如料液中含有t_2个组分的分离单元处在同一个分离层级，它们排列的前后顺序为：（AtAt-^A4AnAt-V[0018]图2的全分离流程图共有t-Ι个层级，各层级由上至下包含的分离单元数依次为1、2、···、（t-Ι，总分离单元个数为t-Ι!个。其中每个分离单元的功能都是通过逆流萃取的方式对提供给它的料液实现一次分离，分离效果为:在水相出口流出的组分不含给定料液中的一个最易萃组分，有机相出口不含给定料液中的一个最难萃组分。[0019]例如，当使用的料液含Ap、AP+1、…、AqI1R按下式计算：[0134]此时，联动衔接后，如净产出的有机相中仅含有1个组分，即作为产品引出，如含有的组分超过1个时，则提供下一层级相衔接的第IV类分离单元作为料液，料液总流量f。按下式计算：[0136]其中各组分的分流量Ai,0按下式计算：[0138]其中，％前一分尚单兀联动前有机相出口中各组分的分流量，%后一分尚单兀联动前水相出口中各组分的分流量；[0139]4第二种情况是当（37和38两式同时成立时，联动衔接后分离单元L有机相出口流量ysUm,n+mH按下式计算：[0141]联动衔接后分离单元R的水相出口流量χ_;1R按下式计算：[0143]联动衔接后，如净产出的水相中仅含有1个组分，即作为产品引出，如含有的组分超过1个时，则提供下一层级相衔接的所述第IV类分离单元的料液为单一水相，料液总流量匕按下式计算：[0145]其中各组分的分流量Α,,α按下式计算：[0147]其中为前一分离单元联动前有机相出口中各组分的分流量，为后一分尚单兀联动前水相出口中各组分的分流量；[0148]5第三种情况是当（39和40两式同时成立时，联动衔接后分离单元L有机相出口流量ysUm,n+mH按下式计算：[0150]联动衔接后分离单元R的水相出口流量X_,iR按下式计算：[0152]联动衔接后，如净产出的水相和有机相中仅含有1个组分，即作为产品引出，如含有的组分超过1个时，则同时为下一层级相衔接的所述第IV类分离单元提供水相和有机相两种料液，水相和有机相料液中各自的总流量匕和匕分别按下两式计算：[0155]其中各组分在两相料液中的分流i分别按下两式计算：[0158]其中为前一分尚单兀联动前有机相出口中各组分的分流量，为后一分尚单兀联动前水相出口中各组分的分流量。[0159]在一种更加优选的实施方案中，本发明提供如上所述设计系统进行多组分联动萃取分离流程的设计方法，其中步骤⑵中，对于第IV类分离单元，所使用的料液来自于上一分离层级两相邻分离单元出口联动后净产出的物料，分离所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算方法为：[0160]1当上一分离层级所提供的料液为水相时，采取水相进料级联动模式，按照公式21-27进行计算；[0161]2当上一分离层级所提供的料液为有机相时，采取有机相进料级联动模式，按照公式28-34进行计算；[0162]3当上一分离层级所提供的料液为水相和有机相两种料液时，按照以下公式进行计算；[0167]其中p^a彡q且：[0168]At^PAq分别为分离单元料液中编号最小和最大的组分；[0169]Smin为最小萃取量；[0170]Wmin为最小洗涤量；[0171]4PAq为At^PAq两组分间的分离系数；[0172]ApMi为AJPA^组分间的分离系数；[0173]·〜为AdPAq两组分间的分离系数；[0174]a,,«为Ai组分在水相料液中的流量；[0175]Ai,〇为Ai组分在有机相料液中的流量；[0176],分别为联动衔接前A1组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量；[0177]分别为联动衔接前所有组分流出第1级的水相总流量和流出第η+m级的有机相总流量。[0178]在一种更加优选的实施方案中，本发明提供如上所述设计系统进行多组分联动萃取分离流程的设计方法，其中步骤2中，计算同一层级前后相邻两分离单元间彼此出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量时，如该层级料液中所含组分数为2，即已位于最低分离层级，且（35和（36两式同时成立，则需为分离单元L补充空白洗涤液，补充空白洗涤液流量按下式计算：[0180]其中，[0181]WaddL为分离单元L新增的空白洗涤液流量；[0182]WminL代表分离单元L所需的最小洗涤量；[0183]和（SminR分别代表分尚单兀R联动前的水相出口各组分总流量和所需的最小萃取量；[0184]在一种更加优选的实施方案中，本发明提供如上所述设计系统进行多组分联动萃取分离流程的设计方法，其中步骤2中，计算同一层级前后相邻两分离单元间彼此出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量时，如该层级料液中所含组分数为2，即已位于最低分离层级，且（37和（38两式同时成立，则此时需为分离单元R补充空白萃取有机相，补充空白萃取有机相流量按下式计算：[0186]其中，[0187]SaddR为分离单元R新增的空白萃取有机相流量；[0188]SminR代表分离单元R所需的最小萃取量；[0189]和WminL分别代表分尚单兀L联动前有机相出口各组分总流量和所需的最小洗涤量；[0190]在一种更加优选的实施方案中，本发明提供如上所述设计系统进行多组分联动萃取分离流程的设计方法，其中步骤⑸中，根据使用的料液中含2个组分的分离层级计算结果，汇总确定全分离流程所需的总最小萃取量和总最小洗涤量，方法为：[0191]总最小萃取量等于最低层级第II类分离单元的最小萃取量与最低层级所有相邻分离单元出口联动衔接后需增补的空白萃取有机相流量之和；[0192]总最小洗涤量等于最低层级第III类分离单元的最小洗涤量与最低层级所有相邻分离单元出口联动衔接后需增补的空白洗涤液流量之和。[0193]本发明的有益效果在于，利用本发明的多组分联动萃取分离流程设计系统及设计方法，能够在用于稀土联动萃取分离流程的工艺设计时，减小确定优化工艺参数的工作量，并有充分依据准确的判定理论最小萃取量和最小洗涤量。[0194]在溶剂萃取分离领域，对于多组分全分离所需的最小萃取量和最小洗涤量的理论下限，缺乏基础理论和计算方法。而本发明提供了设计具有理论最小萃取量和最小洗涤量的多组分萃取全分离流程计算公式和软件系统，同时能够为多组分溶剂萃取分离工艺流程的设计明确所能达到的极限目标，提高流程设计工作的效率，避免设计过程中的盲目性。附图说明[0195]图1为示例性的本发明的多组分联动萃取分离流程设计系统的组成图。[0196]图2为示例性的本发明的多组分联动萃取分离流程设计系统中的流量计算模块根据数据输入模块的数据构建的全分离流程框架图。[0197]图3为示例性的本发明的多组分联动萃取分离流程设计方法的流程图。[0198]图4为具体实施方式的实施例1中利用本发明的多组分联动萃取分离流程设计方法所构建的联动萃取流程的框架图。[0199]图5为具体实施方式的实施例1中分离单元B与C的联动衔接关系、流量变化数据图。[0200]图6为具体实施方式的实施例1的结果输出模块的输出结果图。[0201]图7为具体实施方式的实施例1输出的两分离层级各组分在两相中的百分含量变化图，其中上图为第一层级，下图为第二层级。[0202]图8为具体实施方式的实施例2中利用本发明的多组分联动萃取分离流程设计方法所构建的联动萃取流程的框架图。[0203]图9为具体实施方式的实施例2中分离单元B与C的联动衔接关系、流量变化数据图。[0204]图10为具体实施方式的实施例2中分离单元D与E的联动衔接关系、流量变化数据图。[0205]图11为具体实施方式的实施例2中分离单元E与F的联动衔接关系、流量变化数据图。[0206]图12为具体实施方式的实施例2的结果输出模块的输出结果图。具体实施方式[0207]示例性的本发明的多组分联动萃取分离流程设计系统如图1所示，包含数据输入模块、流量计算模块、级数计算模块和结果输出模块四部分。[0208]示例性的本发明的多组分联动萃取分离流程设计方法运行流程如图3所示，包括如下步骤：[0209]1流量计算模块根据数据输入模块的数据构建如图2所示的全分离流程框架图；[0210]2进而根据料液为水相、有机相或水相和有机相两相分别按照公式（3〜8、9〜（14或（15〜20计算全分离流程图中第一层级分离单元两端出口中各组分的分流量、总流量以及所需的最小萃取量和最小洗涤量；[0211]3再由第一层级计算数据分别按照公式（21〜（27和（28〜（34计算分离单元第二层级前、后两分离单元两端出口中各组分的分流量、总流量以及各自所需的最小萃取量和最小洗涤量；[0212]4进而按照公式（35〜（56所述方法进行第二层级两分离单元之间出口联动衔接的计算；[0213]5如果存在第三分离层级，则根据第二层级的计算数据，分别按照公式21〜27和28〜（34计算第三层级中第II类和第III类分离单元两端出口中各组分的分流量、总流量以及所需的最小萃取量和最小洗涤量；[0214]6根据第二层级两分离单元出口联动衔接后提供给第三层级第IV类分离单元的料液为水相、有机相或双相三种不同情况，分别按照公式（21〜（27、（28〜（34或55〜60计算第三层级第IV类分离单元的最优化流量；[0215]7如存在更多层级，按照第三层级同样的计算方法，依次向下逐层级计算各分离单元的最优化流量以及各层级相邻分离单元间的联动衔接；[0216]⑻流量计算模块的计算结果提供给级数计算模块，通过静态模拟计算流程框架图中所有分离单元达到分离要求所需的萃取段和洗涤段萃取器级数，以及各分离单元中所有组分在两相中随级数变化的百分含量数值；[0217]9最后，流量计算模块和级数计算模块的计算数据提供给结果输出模块，通过系统界面输出包含流量和级数数据的全分离流程图，以及各分离层级所有组分在两相中随级数变化的百分含量图。[0218]以下结合实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。[0219]实施例1[0220]对于一个含GdCl3、EuC13和SmCl3三个待分离组分的水相料液，分离目标为获得纯度均为99.99%的5111：13^11：13和61：13三种产品。采取?507-煤油作为萃取有机相，分离过程中，萃取有机相皂化需消耗碱，洗涤段洗涤过程需消耗酸。采用本发明可以快速设计得到一个具有酸和碱理论最小消耗的萃取全分离流程，即所设计的全分离流程具有理论最小萃取量和最小洗涤量。[0221]在数据输入模块输入待分离组分为Gd、Eu和Sm;Gd、Eu、Sm组分在料液中流量fGd,a、fEU,a、fsm,41U输入为0·3000、0·1000和0·6000，合计流量乜为1·0000;EuSm分离系数feusm为2.34，GdEu分离系数dEu为1.50;产品杂质要求为Ie-4，级数计算精度要求为le-4。点击RUN按钮，即可完成流量计算和级数计算，并自动输出流程图和各层级组分百分含量图。运行计算过程详述如下。[0222]程序首先设计一个如图4所示的流程图框架，包含（511£11"伍1161、5111^11^1161三个分离单元，分别记为分离单元A、B和C。[0223]分离单元A所有料液中的Gd全部由有机相出口流出，Sm全部由水相出口流出，因而联动前分离单元A水相出口中Sm组分的流量和有机相出口中Gd组分的流量分别为：[0225]中间组分Eu在分离单元A两端出口的水相流I和有机相流j分别由公式⑸和⑹计算如下：[0227]再由公式3和4分别计算分离单元A所需的最小萃取量Smina和最小洗涤量WminA分别为：[0229]之后计算分离单元B。分离单元B属于第II类分离单元，采取水相进料级联动模式，引出有机相流与所提供的水相料液处于萃取平衡，因而其中Sm和Eu两组份的流量ysmB和yEuB可由以下方程组中求解得到：[0231]求解可有：[0233]于是，分离单元B的料液中Sm和Eu两组份的分流量fSm,aB和fEu,aB分别为：[0235]其中，（XSm1A和XEiuA分别为与分离单元B联动衔接后分离单元A水相出口组分Sm和Eu的分流量。进而，可由公式（21和（22分别计算SmEu分离单元的最小萃取量SminB和最小洗涤量WminB分别为：[0237]faB为分离单元B组分Sm和Eu的料液总流量。净流入分离单元B的所有Sm组分均自水相出口流出，所有Eu组分均由有机相出口流出，因而联动前分离单元B水相出口中Sm组分的流量：和有机相出口中Eu组分的流量分别为：[0239]此时分离单元B流出的纯产品Sm组分流量为0.6000,与其在料液中的流量相同，亦即原始料液中所有的Sm组分均在分离单元B的水相出口流出。[0240]接下来计算分离单元C。分离单元C属于第III类分离单元，采取有机相进料级联动模式，引出水相流与所提供的有机相料液处于萃取平衡，因而其中Eu和Gd两组份的流量XEuc和xcdc可由以下方程组中求解得至IJ:[0242]求解有：[0244]于是，分离单元：的料液中Eu和Gd两组份的分流量fEu,。。和fGd,。C分别为：[0246]进而可由公式（28和（29计算EuGd分离单元的最小萃取量Sminc和最小洗涤量Wmine分别为：[0248]其中，（f。c为分离单元C组分Eu和Gd的料液总流量。净流入分离单元C的所有Eu组分均自水相出口流出，所有Gd组分均由有机相出口流出，因而联动前分离单元C水相出口中Eu组分的流量和有机相出口中Gd组分的流量分别为：[0250]此时分离单元C流出的纯产品Gd组分流量为0.3000,与其在料液中的流量相同，亦即原始料液中所有的Gd组分均在分离单元C的有机相出口流出。[0251]再分析分离单元B与C进行出口联动衔接后的情况。本例中分析易知：[0253]其中，分别为联动衔接前Eu组分在分离单元B有机相出口中的流量和分离单元C水相出口中的流量，因此时只有Eu—个组分，Eu的流量也就是总流量；（WminB和SminC分别为分尚单兀B的最小洗涤量和分尚单兀C的最小萃取量。因此，分尚单元C需补充空白萃取剂，需补充的空白萃取剂流量Saddc按照公式62计算为：[0254]Saddc=0.2783[0255]分离单元B与C联动衔接前后流量变化如图5所示。联动衔接前，分离单元B有机相出口Eu组分流量％〇.0466,由以上比较知，分离单元B所需最小洗涤量WminB可完全由联动衔接提供，因而联动衔接后分离单元B有机相出口Eu组分流量yEu,n+mB按照公式45计算为0.0466+0.1133=0.1599，分离单元C所需的最小萃取量SminG为0.4382，而分离单元B所能提供的有机相仅为0.1599,因而分离单元C需补充的空白萃取有机相流量Saddc为:0.4382-0.1599=0.2783，但因其中Eu组分的流量仅为0.1599，分离单元C水相出口联动后的流量XEU,ic按照公式46计算为:0.0534+0.0466+0.1133=0.2113，扣除流量为〇.1133的水相给分离单元B满足其最小洗涤量WminB外，剩余流量为0.1000部分富余水相即为Eu产品，S卩Eu产品水相流量pEu,aS〇.1000,即原始料液中全部Eu均在此得到水相广品。[0256]之后需由级数计算模块进行各分离单元的静态模拟。以分离单元A为例。由第1级水相出口的物料平衡和萃取平衡可知：[0258]其中，（XGua、（xEu,Oa和xSm1^别为流出第1级的GcUEu和Sm组分水相流量，ycd,iA、（yEu,iA和ysm,iA分别为流出第1级的Gd、Eu和Sm组分有机相流量。分呙系数为输入值，（SminΑ、（ΧΕιι,ΙA和XSm,lA已计算得到，（XM,1A根据分离要求设定值为ΧΕιι,ΙAX10_4，ycd,lA、（yEu,lA和ySm,lA为未知数，求解可知：[0260]再由第1级与第2级各组分的物料传递平衡关系可知：[0262]:分别为联动衔接前分离单元A水相出口Sm、Eu、Gd组分的分流量。之后采用上述同样的方法可由第2级萃取器的物料平衡和萃取平衡求得流出第2级萃取器各组分的有机相流量ycd,2A、（yEu,2A和ySm,2A，然后再由第2级和第3级之间的物料传递平衡求知流出第3级萃取器的各组分水相流量Md,3A、（XEu,3A和XSm,3A，如此逐级递推计算，直至相邻两级同一组分的水相流量相对变化小于设定的计算精度le-4为止，此时分离单元A萃取段共进行了62次递推计算，即分离单元A萃取段所需级数n=62。分离单元A的洗涤段计算则从最后一级，S卩第n+m级起始计算，方法与萃取段的计算完全相同，递推计算次数为36次，则分离单元A洗涤段所需级数m=36，两段合计共需98级。同样的计算可知，分离单元B和C所需的萃取器级数分别为77和174。这样，全分离流程总计所需萃取器级数为:98+77+174=349级。[0263]最后，系统根据计算结果给出具流量数据和级数数据的全分离流程图，如图6,以及两个层级各组分在两相中的百分含量变化图，见图7。图6中，分离单元B最小萃取量为0.9117，但分离单元B和C联动后，需在联动衔接处补充萃取量为0.2783的萃取有机相，这样总流程所需的理论最小萃取量为二者之和，即为1.1900;分离单元C的最小洗涤量为0.8900,分离单元B无需补充洗涤液，因而流程总最小洗涤量即为0.8900。经所设计流程的萃取分离，最终得到产品纯度均为99.99%，Sm和Eu产品为水相，Gd产品为有机相。[0264]实施例2[0265]待分尚料液为含NdCl3、PrCl3、CeCl3和LaCb四个待分尚组分的水相，分尚目标为获得纯度均为99.99%的1^：13、〇6：13、？冗13和則：13四种产品。采取?507-煤油作为萃取有机相，分离过程中，萃取有机相皂化需消耗碱，洗涤过程需消耗酸。采用本发明可以快速设计得到一个具有酸和碱理论最小消耗的萃取全分离流程。[0266]在数据输入模块输入待分离组分为Nd、Pr、Ce和La;它们在料液中的流量fNd,a、9、^、仇¥分别输入为0.1500、0.0500、0.5000和0.3000，合计流量乜为1.0000;〇6La、PrCe、NdPr分离系数eLa、ftvce和fedpr分别输入为6.83、2.03和1.55;产品杂质要求le-4,级数计算精度要求le-4。点击RUN按钮，即可完成流量计算和级数计算，并自动输出流程图和各层级组分的百分含量图。[0267]程序首先设计一个如图8所示流程图框架，包含（LaCePrCePrNd、（LaCeCePr、（CePrPrNd、LaCe、CePr、PrNd共六个分离单元，分别记为分离单元A、B、C、D、E、F。其中分离单元A、B、C三个分离单元流量计算以及B和C两分离单元的联动衔接计算与实施例1中相同，此处不再赘述。所不同的是，B和C联动衔接后，可能出现的萃取有机相或洗涤液不足可由下层级CePr分离单元采取进料级联动模式提供，而无需补充空白萃取有机相或洗涤液。分离单元B和C联动衔接实际计算结果如图9所示，此处分离单元C需补充萃取有机相流量Sadde为0.0638，分离单元E需采取水相进料级联动模式，联动前料液各组分总流I%0.2117。以下介绍分离单元D、E、F的流量计算及联动衔接情况。[0268]分离单元D属第II类分离单元，进行的是水相进料级联动的LaCe分离，初始料液为分尚单兀B水相出口的流量，联动前分尚单兀B水相出口组分Ce和La的流量和由前期计算分别有：[0270]自分离单元D进料级引出的有机相流量ysumD需恰好满足分离单元B最小萃取量要求，即：[0272]由于进料级引出的有机相流与实际进入槽体的水相料液处于萃取平衡状态，因而引出有机相中Ce和La的分流量yCeD和yuD可由如下方程组求得：[0274]求解可知：[0276]此时进入分离单元D进料级的Ce、La料液流量ffc,aD和fu,aD分别为：[0278]分离单元D所需的最小萃取量和最小洗涤量分别由公式21和22计算如下：[0280]faD为分离单元D组分Ce和La的料液总流量。料液中净流入分离单元D的所有La组分均由水相出口流出，所有Ce组分均由有机相出口流出，因而联动前流出分离单元D水相出口La组分流量和有机相出口Ce组分流量，分别为：[0282]此时水相出口得到的即为纯La产品，流量等于初始料液中的La组分流量。[0283]再分析分离单元E。分离单元E进行水相进料级联动的CePr分离，进料级引出的有机相流量ys™E需恰好等于分离单元C最小萃取量不足部分Sadde，即：[0285]流入分离单元E进料级Ce和Pr的净流量由上层级计算得到，分别为：[0287]分离单元E进料级引出的有机相流与实际进入槽体的水相料液处于萃取平衡，因而有如下方程组：[0289]求解可得到分离单元E引出有机相中Pr和Ce组分的分流量yPrE和（yCeE:[0291]此时进入分离单元E进料级的水相料液中两组分流量fPr,aE和ffc,aE分别为：[0293]再由公式（21和（22分别计算分离单元E所需的最小萃取量和最小洗涤量SminE和WminE为：[0295]分离单元E料液中净流入的所有Ce组分均由水相出口流出，所有Pr组分均由有机相出口流出，故联动前流出分离单元E水相出口Ce组分流1和有机相出口Pr组分流量：分别为：[0297]再分析最后一个分离单元F。分离单元F进行有机相进料级联动的PrNd分离，料液来自于分离单元C的有机相出口，流入分离单元F的料液中Nd和Pr的净流量和分别为：[0299]进料级引出的水相流量XsumF需恰好满足分离单元C最小洗涤量（WminC需求，BP:[0301]求解如下方程组：[0303]可得到分离单元F引出水相中Nd和Pr组分的分流量XNdF和xPrF:[0305]此时进入分离单元F进料级的有机相料液中Nd和Pr两组分的分流量（fNd,。F和0^，。卩分别为：[0307]再由公式28和29可分别计算得到分离单元F的最小萃取量和最小洗涤量如下：[0309]分离单元F水相出口只有Pr组分，有机相出口只有Nd组分，两端出口流量分别为：[0311]此时有机相出口得到的即为纯Nd产品，流量与其在初始料液中完全相同。[0312]采用与实施例1中相同的方法进行分离单元D和E、E和F间的联动衔接，联动衔接结果分别如图10和图11所示。图10中，分离单元D和E衔接后，可同时满足分离单元D的最小洗涤量和分离单元E的最小萃取量需求，得到的产品Ce水相流量pCe,aS〇.3569,有机相流量pCe,。为0.1431，合计共0.5000，与初始料液中的Ce流量相同。图11中，分离单元E和F联动后，分离单元E的最小洗涤量不能得到满足，需补充的空白洗涤液流量WaddE为0.0054，得到的纯Pr产品为有机相，流量pPr,。为0.0500，与其在初始料液中相同。[0313]最低层级分离单元D的最小萃取量（SminD为0.8395，因分离单元D和E、E和F联动衔接后，均无最小萃取量不足，因而分离单元D的最小萃取量即为流程的总最小萃取量，为0.8395。分离单元F的最小洗涤量为0.4910，因分离单元E和F衔接后，需在衔接处补充洗涤量0.0054，这样流程所需的理论总最小洗涤量为二者之和，即为0.4964。[0314]按与实施例1中同样的方法进行静态模拟，计算可知六个分离单元所需萃取器级数依次为111、133、91、54、114和142，总计645级。系统输出的三个分离层级各组分在两相中的百分含量随级数的变化图见图12。所设计流程最终得到产品纯度均为99.99%，La产品为单一水相，Ce产品为部分水相、部分有机相，Pr和Nd产品均为有机相。[0315]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

权利要求：1.一种多组分联动萃取分离流程设计系统，其特征在于:所述的设计系统包括数据输入模块、流量计算模块、级数计算模块和结果输出模块，所述的数据输入模块用于输入待分离组分数t，待分离的组分A1Jh…、At，待分离组分间的分离系数，最终产品中杂质要求以及计算精度要求;其中，待分离组分在所使用的萃取体系中按被萃取难易程度由易到难的顺序为A1J2^sAt;所述的流量计算模块用于根据所述的数据输入模块输入的待分离组分及其数目构建全分离流程图，并由上至下逐层级计算所述的全分离流程图中各分离单元所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量，以及同一层级相邻分离单元采取出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量；所述的级数计算模块用于计算各分离单元所需的萃取段级数和洗涤段级数；所述的结果输出模块用于根据所述的流量计算模块和所述的级数计算模块的计算结果，输出带有流量数据和级数数据的全分离流程图、各层级物料中所含组分在两相中的百分含量变化图。2.—种利用权利要求1所述的设计系统进行多组分联动萃取分离流程的设计方法，包括如下步骤：1由所述的数据输入模块输入待分1¾组分数t，待分1¾的组分Al、A2、…、At，待分呙组分间的分离系数，最终产品中杂质要求以及计算精度要求；2由所述的流量计算模块根据所述的数据输入模块输入的待分离组分及其数目构建全分离流程图，并由上至下逐层级计算所述的全分离流程图中各分离单元所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量，以及同一层级相邻分离单元采取出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量；⑶由所述的级数计算模块计算各分离单元所需的萃取段级数和洗涤段级数；⑷由所述的结果输出模块根据所述的流量计算模块和所述的级数计算模块的计算结果，输出带有流量数据和级数数据的全分离流程图、各层级物料中所含组分在两相中的百分含量变化图；5根据最低分离层级，即使用的料液中含2个组分的分离层级的计算结果，汇总确定多组分联动萃取分离流程的最小萃取量和最小洗涤量。3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤1中，所述的待分离组分间的分离系数对于任意两组分和心间的分离系数，由下式计算：4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤⑵中，对于第I类分离单元，当使用的料液为水相时，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量的计算公式分别为：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；为AjPAt两组分间的分离系数；为AjPAt两组分间的分离系数；为Ai组分在水相料液中的流量，且有分别为联动衔接前A1组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量；,分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；对于第I类分离单元，当使用的料液为有机相时，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为：其中：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；为AjPAt两组分间的分离系数；为^和仏两组分间的分离系数；为Ai组分在有机相料液中的流量，且有分别为联动衔接前A1组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量；分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；对于第I类分离单元，当使用的料液为水相和有机相两种料液时，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为：其中：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；为AdPAt两组分间的分离系数；为和两组分间的分离系数；为AjPAt两组分间的分离系数；为Ai组分在水相料液中的流量；为Ai组分在有机相料液中的流量；分别为联动衔接前A1组分流出第1级的水相流量和第n+m级的有机相流量；分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量。对于第II类分离单元，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；AdPAq分别为分离单元料液中编号最小和编号最大的组分；为AdPAq两组分间的分离系数；^为怂和两组分间的分离系数；为AdPAq两组分间的分离系数；为Ai组分在水相料液中的流量；分别为联动衔接前A1组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量；分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；yAl为自进料级引出至高层级提供料液的分离单元有机相中仏组分的分流量；y_为自进料级引出至高层级提供料液的分离单元有机相中所有组分流量之和，且有：Ysum一（SminH27其中（SmlnH为提供料液的高层级分离单元所需的最小萃取量，对于第III类分离单元，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；Ap和Aq分别为分离单元料液中编号最小和最大的组分；为AdPAq两组分间的分离系数；为怂和两组分间的分离系数；^AjPAq两组分间的分离系数；为Ai组分在有机相料液中的流量；分别为联动衔接前A1组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量；分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；为自进料级引出至高层级提供料液分离单元水相流中Ai组分的分流量；χ_为自进料级引出至高层级提供料液分离单元水相流中所有组分流量之和，且有：Xsum一ffminH34其中WmlnH为提供料液的高层级分离单元所需的最小洗涤量。5.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤2中，对于位于同一层级的两相邻分离单元，前一分离单元L的有机相出口与后一分离单元R的水相出口相衔接，分离单元L为分离单元R提供萃取有机相，同时，分离单元R为分离单元L提供洗涤液，衔接后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量，以及衔接后输出给下一分离层级的物料总流量和其中的各组分分流量计算方法如下：1首先比较与WminL之间的大小，其中和WminK分别代表分离单元L联动前有机相出口各组分总流量和所需的最小洗涤量，：和SminR分别代表分离单元R联动前的水相出口各组分总流量和所需的最小萃取量；2比较结果可能出现以下三种情况：3第一种情况是当（35和36两式同时成立时，联动衔接后分离单元L有机相出口流量ySUm,n+mH按下式计算：联动衔接后分离单元R的水相出口流量x_,iR按下式计算：此时，联动衔接后，如净产出的有机相中仅含有1个组分，即作为产品引出，如含有的组分超过1个时，则提供下一层级相衔接的第IV类分离单元作为料液，料液总流量f·。按下式计算：其中各组分的分流量.：按下式计算：其中，为分尚单兀L联动前有机相出口中各组分的分流量，，为分尚单元R联动前水相出口中各组分的分流量；4第二种情况是当（37和38两式同时成立时，联动衔接后分离单元L有机相出口流量ySUm,n+mH按下式计算：联动衔接后分离单元R的水相出口流量x_,iR按下式计算：联动衔接后，如净产出的水相中仅含有1个组分，即作为产品引出，如含有的组分超过I个时，则提供下一层级相衔接的所述第IV类分离单元作为料液，料液总流量fa按下式计算：其中各组分的分流量：按下式计算：其中：为分1¾单兀L联动前有机相出口中各组分的分流量，.为分尚单元R联动前水相出口中各组分的分流量；5第三种情况是当（39和40两式同时成立时，联动衔接后分离单元L有机相出口流量ySUm,n+mH按下式计算：联动衔接后分离单元R的水相出口流量X_,iR按下式计算：联动衔接后，如净产出的水相和有机相中仅含有1个组分，即作为产品引出，如含有的组分超过1个时，则同时为下一层级相衔接的所述第IV类分离单元提供水相和有机相两种料液，水相和有机相料液中各自的总流量匕和匕分别按下两式计算：其中各组分在水相和有机相料液中的分流量分别按下两式计算：其中，为分1¾单兀L联动前有机相出口中各组分的分流量，，为分尚单元R联动前水相出口中各组分的分流量。6.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤⑵中，对于第IV类分离单元，所使用的料液来自于上一分离层级权利要求5中所述两相邻分离单元出口联动后净产出的物料，分离所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算方法为：1当上一分离层级所提供的料液为水相时，采取水相进料级联动模式，按照公式21_27进行计算；2当上一分离层级所提供的料液为有机相时，采取有机相进料级联动模式，按照公式28-34进行计算；3当上一分离层级所提供的料液为水相和有机相两种料液时，按照以下公式进行计算；Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；Ap和Aq分别为分离单元料液中编号最小和最大的组分；为AdPAq两组分间的分离系数；为怂和两组分间的分离系数；为AdPAq两组分间的分离系数；为Ai组分在水相料液中的流量；为Ai组分在有机相料液中的流量；分别为联动衔接前A1组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量；分别为联动衔接前所有组分流出第1级的水相总流量和流出第n+m级的有机相总流量。7.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤2中，计算同一层级前后相邻两分尚单兀间彼此出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量时，如该层级料液中所含组分数为2,即已位于最低分离层级，且（35和36两式同时成立，则需为分离单元L补充空白洗涤液，补充空白洗涤液流量按下式计算：其中，WaddL为分离单元L新增的空白洗涤液流量；WminL代表分离单元L所需的最小洗涤量；和SmlnR分别代表分离单元R联动前的水相出口各组分总流量和所需的最小萃取量。8.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤2中，计算同一层级前后相邻两分尚单兀间彼此出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量时，如该层级料液中所含组分数为2,即已位于最低分离层级，且（37和38两式同时成立，则此时需为分离单元R补充空白萃取有机相，补充空白萃取有机相流量按下式计算：其中，SaddR为分离单元R新增的空白萃取有机相流量；SminR代表分呙单兀1?所需的最小萃取量；和WmlnK分别代表分离单元L联动前有机相出口各组分总流量和所需的最小洗洚量。9.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤5中，根据使用的料液中含2个组分的分离层级计算结果，汇总确定全分离流程所需的总最小萃取量和总最小洗涤量，方法为：总最小萃取量等于最低层级第II类分离单元的最小萃取量与最低层级所有相邻分离单元出口联动衔接后需增补的空白萃取有机相流量之和；总最小洗涤量等于最低层级第III类分离单元的最小洗涤量与最低层级所有相邻分离单元出口联动衔接后需增补的空白洗涤液流量之和。

百度查询： 五矿(北京)稀土研究院有限公司 一种多组分联动萃取分离流程设计系统及设计方法

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