試析稀土萃取分離的綜合自動化系統

鐘 亮

（虔東稀土集團股份有限公司，江西 贛州 341000）

我國的稀土資源相對比較豐富，稀土分離工業的規模和產品產量也得到了有效的發展。但是隨著社會經濟的進一步發展，稀土工業生產逐漸呈現集中化、大型化以及連續化的發展趨勢，要求其進行更加高效和穩定的自動化生產，目前我國的稀土工業生產的自動化水平相對較低，導致生產效率較低，并耗費了大量資源，產品的質量也不能得到穩定，嚴重影響了稀土企業的發展，并阻礙了我國可持續發展目標的實現，因此對稀土萃取分離的綜合自動化系統進行研究具有十分重要的意義。

1 稀土萃取分離的相關概述

稀土的組成元素一共有17種，其是一個金屬大家族，在自然界當中一般以共生礦和離子礦的形式存在。因為稀土元素之間的化學性質比較相似，所以對其進行分離工作存在較大的難度[1]，并且稀土元素在實際應用當中不僅需要純度較高、質量較高的產品，同時還會稀土雜質等具有較高的要求，更是進一步增加了稀土元素分離的難度。

稀土進行萃取和分離的過程，主要是分離、富集以及提取混合稀土溶液當中所需純度和收率的稀土產品，假設易萃組分為A，難萃組分為B。稀土具體萃取和分離的過程入下圖所示。

圖1 稀土萃取和分離的過程圖

上圖中n表示n級的混合澄清槽構成的萃取段 ；m表示m級混合澄清槽構成的洗滌段 ；u1表示稀土料液的流量 ；u2表示有機溶劑的流量 ；u3表示有機皂化氨水流量 ；u4表示洗滌液流量 ；y1表示水相出口產品B的純度 ；y2表示產品A的純度 ；y3、y4表示工業控制監測點的稀土元素的組分質量分數。

將含有被分離組分的A產品和B產品的水相稀土料液從進料段中以u1的流量進入到萃取槽內，有機溶液和皂化氨水溶液以u2和u3的流量進入萃取槽，并在萃取槽內放入u4的洗滌液，其中萃取段的主要作用就是讓料液當中的大部分A和少許B萃取有機得到一定的負載有機相，洗滌段的主要作用就是讓洗滌液接觸到有機相，將含有B的絕大部分洗入水相當中。因為萃取槽的結構相對比較特殊，并加上在萃取分離過程中擁有一定的攪拌作用，會讓各級萃取槽內的有機相從左往右產生逆向的流動，經過萃取和洗滌之后，最后從萃取段的第一級就可以得到含有B、純度為y1的水相出口產品。

2 稀土萃取分離的綜合自動化系統研究

2.1 流量控制分析

稀土在萃取分離的過程中，對各類給料流量進行精準的控制，是讓整個生產線實現穩定產出的重要基礎。一般情況下，稀土萃取分離過程中使用的料液具有較強的腐蝕性和油溶性。通過調查可以知道，目前我國的稀土企業一般使用耐腐蝕性能較好的轉盤流量控制裝置對給料流量進行控制，通過對電機的轉速進行調節，對各種料液的流量進行控制，并且還有一些會將計量泵與調速器、變頻器等結合起來，讓其形成閉環的流量控制系統。計量泵等設備為被控對象，PLC會對調速器下達相應的命令，要求調速器等按照相關的指令對電擊轉速進行控制，讓料液流量實現有效控制。

中流量計量裝置根據流量計的結構形式不同，可以分為容積流量計、電磁流量計等類型，通過結合工藝、對正常流量的要求以及相關介質的特點，一般采用不銹鋼金屬轉子流量計，該類流量計的抗腐蝕能力較強。在實際計量的過程中還可以根據不同的流量范圍，選擇電磁流量計、質量流量計等設備，但是這些流量計設備的價格相對較高，如果選用應將其價值充分發揮出來。

2.2 液位控制研究

液位控制系統一般由傳感器和液位控制器組成。稀土在萃取分離的過程中一般都將各種溶液儲存在防腐蝕性性能較高的儲罐當中，因為料液的腐蝕能力較強，且容易揮發，所以實際生產的現象應該使用PLC和液位計等構成的液位監控系統。其中PLC主要是對液位計的輸出信號進行讀取，并將其轉換后得到實時的液位值，然后依據儲罐的設定值對儲罐內液位是否處于標準范圍內進行判斷。如果儲罐內的液位較低或者較高時，就會立馬報警，并在操作站的顯示屏上顯示危險標志。液位控制系統的主要工作原理就是 ：現場接受槽接受萃取分離槽產出的料液后，會經過遠程的貯槽進行處理，泵與泵槽之間主要使用自動連鎖的裝置，當泵槽內的液位到達限定值時，就會啟動泵，當其液位下降到下限值時就會關閉泵，如果遠程貯槽內的料液液位較高時，就會停止輸送狀態，并發出警報聲，讓相關的工作能源能夠進行及時的處理，讓萃取分離的質量和效率得到一定的保證。

在液位控制系統中，液位控制器一般可以分為邏輯控制和數字控制兩種類型。其中邏輯控制器主要使用防腐浮球和微動的開關對液位進行感知和檢測，泵使用低壓的繼電器進行控制，當檢測的信號傳入邏輯控制器之后，控制器就會根據信號的運算在中心繼電器中輸入相應的控制信號[2]，如果信號滿足報警條件時，邏輯控制器就會發出相應的警報聲，讓值班人員進行相應的處理，一般情況下將報警器放置在值班人員的控制室或者現場內容，讓操作人員的操作更加方便。

數字控制器主要是利用DCS控制系統對液位進行控制[3]，在實際控制的過程中主要采用超聲波液位計將檢測的信號傳遞到控制系統的DI模板當中，并且DO模板會輸出相應的控制信號到中心繼電器中，對交流接觸器進行控制，從而實現電機的控制工作。

2.3 在線分析檢測研究

稀土萃取分離的生產過程非常復雜，其具有滯后性、非線性等特點，如何在生產過程中在線監測和優化控制稀土元素組分的含量，從而保證產品的質量是目前稀土萃取分離生產中重點研究的內容。

稀土萃取分離過程的監測主要包括離線、現場分析以及在線監測等階段，其中離線分析主要是通過工作人員進行取樣，并送入實驗室使用專門的起義進行分析檢測，整個過程由人工進行，耗時相對較長，并且在進行的過程中無法保證產品的質量，容易出現廢品和次品的情況。所以在線檢測方法的出現是必然趨勢，其能夠在一定程度上提高產品生產的質量和效率。目前比較常用的在線檢測方法包括同位素激發的XRF方法、紫外、可見分光光度方法以及X射線熒光方法等。而在稀土萃取分離中進行在線監測，就必須要將檢測的原理、傳感器以及被檢測對象的連接等內容解決好，使用在線檢測裝置能夠實時分析料液組分以及分離的效果，并通過計算機顯示屏顯示相應的檢測分析結果，與工藝參數計算的軟件相結合，還能對流量進行及時調整，能夠進一步提高收率和產品質量。但是目前在線監測系統的使用效果還不明顯，且投資較大，設備的耐腐蝕能力較差，運行維護的費用相對較高，所以需要相關的設計人員充分結合機理分析以及神經網絡技術，提出在線分析的測量技術，也就是使用軟測量技術構建出相應的數據關系模型，利用相關的工藝參數將元素組分含量的工藝參數推斷和計算出來，不斷提高稀土萃取分離的在線監測能力。

2.4 系統整合研究

通過整合流量、液位控制以及在線分析監測系統，在各個萃取槽段安裝流量給料裝置、稀土在線的分析探頭等裝置，并在控制室內集中安裝接口、顯示、分析儀器以及控制器等，保證CRT能夠實時將運行的狀態顯示出來，讓工程技術人員能夠對車間運行的控制情況進行遠程掌控，及時下達相應的工藝指令，不斷提高管理效率。稀土萃取分離綜合自動化系統能夠顯示稀土分離過程中的實時流量和累計流量，實現有效的自動控制目標，生產出更加優質的產品。

3 結束語

隨著社會經濟的不斷發展和科學技術的不斷進步，稀土萃取分離的綜合自動化系統的出現是必然趨勢，其能夠實現對稀土萃取分離過程的優化控制和管理，減少資源浪費的情況，生產出更多質量上乘的產品，為我國社會創造出更多的社會經濟和社會效益，對推動我國實現可持續發展目標具有十分重要的意義。