湿法冶金浸出过程机理模型.pdf

第 3 5卷 第 4期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 4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 3 3 0 0 3 1 [ 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 T P 1 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 4 3 4 5 2 0 1 4 0 4 0 0 4 0 0 3 M e c ha ni s m M o de l i n Pr o c e s s o f Hyd r o m e t a l l ur g i c a l Le a c hi ng ZH0U Ti a n c hi J i a n g x i N e r i n E l e c t r i c A u t o m a t i o n C o ． ， L t d ． ， N a n e h a n g ， J i a n g x i 3 3 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r a c t u a l p r o c e s s o f a c e r t a i n S h a n d o n g g o l d r e fi n e r y p l a n t ， t a k i n g g o l d l e a c h i n g p r o c e s s s o d i u m c y a n i d e i s c o n s i d e r e d a s l e a c h i n g a g e n t a s b a c k g r o u n d ，m e c h a n i s m m o d e l o f g o l d c y a n i d e l e a c h i n g i s e s t a b l i s h e d b a s e d o n r e l a t i o n s h i p o f ma t e r i a l s a n d e n e r g y b a l a n c e ， mo d e l s i mu l a t i o n i s c a r r i e d o u t t h r o u g h a c t u a l d a t a t o v e r i f y a v a i l a b i l i t y a n d g e n e r a l i z a t i o n o f mo d e 1 ． Ke y wo r d s h y d r o me t a l l u r g y ； g o l d ； l e a c h i n g p r o c e s s ； me c h a n i s m mo d e l ； l e a c h i n g r a t e 湿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； 5 1 从溶液制取金属或化合物[2 - 3 ] 。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 N a C N N a C N N a C N 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 2 0 1 4 0 6 0 6 作者简介 周天驰 1 9 9 O 一 ， 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 _ ll I 第 4期 湿法冶金浸出过程机理模型 4 1 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『4 1 。 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[ 5 1 2 A u 4 C N ～ O 2 2 H 2 O 2 A u C N 2 一 H 2 0 2 2 0 H 一 1 2 A u 4 C N 一 H 2 0 2 2 A u C N 2 - 2 0 H ～ 2 综合化学反应方程式为 2 A u 8 C N 一 O 2 2 H 2 O 4 A u C N 2 - 4 0 H 一 3 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 m g ／ k g r A I】金反应速率 mg ／ k g h e固相中金品位 mg ／ k g P 固体密度 g ／ c m 。 G 溶解氧浓度 mg ／ k g P l 液体密度 g ／ c m 3 C 同相中最终金品位 mg ／ k g f矿浆平均滞留时间h d 矿石平均粒径p ． m 液体质量 k g 液相中氰离子浓度 mg ／ k g 固体质量 k g ， ． 流 入矿 浆 中氰 离 ． ‘ 子浓度 g ／ k g Ⅳ浸出级数 p l液相流量 k g ／ h i 第 i 级浸 出槽 Q 矿石流量 k g ／ h 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 Q B Q 8 o 7 Q I Q ,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 ； C o - Q c 一 A ll 0 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 ； Mg - 为反应掉的金。其中 C C 分别为浸 出前后金的品位， M 表示矿石的质量， r 灿表 示 金浸 出时 的反应 速 率 。 由液 相 中氰根 守恒 可得 Q l c c N 0 Q c N Q l C c N r c N O 1 0 式中 Q C 为初始料液中的氰 ； Q 为添加进入浸出 槽的氰 ； Q 1 C c N 为反应结束后剩余的氰 ； 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 - 1 1 1 Ⅲ V Q l p 。 p l 1 2 M s- 卉 1 3 百 式中 C w 表示矿浆 的浓度 ； 、 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 1 4 Q Q Q Q 。 s． 1 l s ～， p pl 式 中 r表示浸出过程反应时间。 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[6 1 r a 1 - a 2 x d C o 05 F C N _ ---- 1 6 d b 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， d表示矿石的粒 径 ； 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a 6 、 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 O ． 3 5 7 1 - 1 ． 4 9 e 1 7 ．4 2． 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 5卷 综合上述各式 ， 把式 1 1 、 式 1 2 、 式 1 6 代人式 1 0 便可求得氰根离子浓度 。然后把式 1 1 、 式 1 3 、 式 1 5 、 式 1 7 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 1 8 ， 1一 ， 1 Q ， C w ， c s 0 ， C C N 0 C o ， Q c 1 8 u s 0 机理模型中参数众多， 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 6 8 m ； Q 2 5 4 0 k g ／ h ； C w 0 ． 3 3 ； C c N o -- O ； d 8 0 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 r h o _ _ s 2 ． 8 g ／ c m ； r h o _ l 1 g ／ c m 。 。 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 1 1 1 q R F A 1 ． 4 3 x 1 0 - 3 ． 1 5 x 1 0 d X 2 0 5 n8 6 n’ n R C 1 9 一R d 一2 ． 6 7 3 模型仿真分析 2 0 为了验证模型的可靠性 从 现场采集最终浸 出 率样本 2 0个， 与机理模型预测值进行 比较 ， 结果如 图 2所 示 。 0 ． 9 8 0 0． 97 8 0 ． 9 7 6 0 ． 9 7 4 0 ． 9 7 2 槲0 ． 9 7 0 o 9 6 8 一0 ． 9 6 6 0 ． 9 6 4 0 ． 9 6 2 0 ． 9 6 0 2 O 组对比数据 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 E M A X 、 均方根 误差 R MS E 、 相对均方根误差 R R MS E 以及拟合 度 f R R 来验证， 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， 2 0 0 5 ， 2 7 1 1 5 ． 【 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， 1 9 9 8 1 3 ． 【 3 】 胡广浩 ， 毛志 患， 周俊武， 等． 湿法 冶金浸 出过程建模 与仿真研 究 [ J J _ 系统仿真学报， 2 0 1 1 ,2 3 6 1 2 2 0 1 2 2 4 ． f 4 ] 潘惊雷． 湿法冶金浸出过程建模与优化[ D 】 ． 沈 阳 东北大学， 2 0 1 2 ． [ 5 ] L ． R ． P ．d e A n d r a d e L i ma ，D． H o d o u i n ．O p t i mi z a t i o n o f r e a c t o r v o l u me s f o r g o l d c y a n i d a t i o n『 J 1 ． Mi n e r a l s E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 1 8 5 6 71 -6 7 9 ． [ 6 ] F r a n k K C r u n d w e l l ， S v e n A G o d o r r ． A ma t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e l e a c h i n g o f g o l d i n c y a n i d e s o l u t i o n s Ⅲ．} t y d r o me t a l l u r g y ，1 9 9 7 ， 4 4 1 1 4 7 - 1 6 2 ． [7 ] L i B a o ， An h V N g u y e n ． De v e l o p i n g a p h y s i c a l l y c o n s i s t e n t m o d e l for g i b b s i t e l e a c h i n g k i n e t i c s [ J 】 ． H y d r o me t a l l u r g y ，2 0 1 0 ， 1 0 4 1 2 8 6 9 8 ． [ 8 】 贾润达． 湿法冶金萃取过程组分浓度软测量方法的研究 与应用【 D 1 ． 沈 阳 东北大学 ．2 0 1 1 ．