基本介紹
- 中文名：多相平衡
- 外文名：polyphase equilibrium
- 類別：化學
銅閃速熔煉多相平衡數模研究與系統開發,多相平衡熱力學模型,多相平衡的基本算法,多相平衡計算的元素勢法及其套用,基於元素勢的多相平衡求解算法,銅造鋶熔煉過程,
銅閃速熔煉多相平衡數模研究與系統開發
建立了銅閃速熔煉多相平衡數學模型，並研發了具有自主智慧財產權的銅閃速熔煉多相平衡仿真系統(MPES v1.0)。實例驗證表明，該數模能較好的反映銅閃速熔煉過程，與生產實際數據相比，銅鋶中Cu、Fe、S百分含量絕對誤差分別為1.08、1.36、0.08，相對誤差為1.87%、7.71%，0.38%；爐渣中Fe、SiO2、Cu百分含量絕對誤差分別為1.22、1.96、0.55，相對誤差為4.32%、6.61%、18.71%。同時利用MPES v1.0仿真研究了銅閃速熔煉過程各工藝參數對熔煉產物各相平衡組成的影響規律，輸出了熔劑率、富氧濃度、噸礦氧量、溫度與銅鋶品位、渣含銅、銅鋶含Fe3O4、渣含Fe3O4等關係曲線，為進一步最佳化工藝參數提供了理論依據和實踐指導。
多相平衡熱力學模型
多相多組分反應體系在冶金化工等生產實踐中普遍存在，比如濕法冶金中的礦石浸出、液液溶劑萃取分離、離子交換、火法冶金中的造鋶熔煉、精煉等冶金過程均屬多相多組分反應體系。因此深入研究基於熱力學原理的多相多組分反應體系數學模型，發展可靠、高效、強大的多相平衡計算方法具有廣泛的套用基礎，已成為冶金化工領域的一個重要課題。多相平衡計算的理論方法和計算結果是相應作業過程操作、最佳化及設備設計的基礎。
對多相多組分化學平衡數學模型的研究，在七十年代開始的逐漸側重於多相、非理想體系。而且更多地注意到問題的數學抽象性，這在某種意義上體現了研究工作的深人。研究用於多種不同複雜情況的有效算法仍是人們努力的目標。可歸納為以下幾點：
1· 加快收斂速度、提高收斂的穩定性以及對初值的適應性是將化學平衡計算用到更為複雜的模擬系統中的必要條件，這方面仍需進行大量工作；
2. 將化學平衡與相平衡的計算統一起來，在擴展用途時經常是必需的，如在計算弱電解質體系中的汽—液相平衡，當氣相有締合反應進行時，相分層與化學平衡需同時考慮；
3. 給出額外約束條件，這在實踐中經常會遇到。例如，在CO+H2催化合成甲醇時，需要給出CH4為惰性組分的約束條件；同樣在水煤氣變換反應中，CO+H2O→CO2+H2，也要作類似的假定。更為廣泛的是套用到事實上不能完全達到平衡的體系，在工業實踐中常常給出平衡溫距來表達這一點；
4. 將最小自由能法套用到具有不同相中去。將氣相逸度係數及液相活度係數因素也一併考慮進去。這樣，就將相平衡計算變為求系統自由能最小的最佳化問題，這對於推進相平衡的計算工作是十分重要的方向；
5. 將最小自由能法擴展到具有電離的水溶液體系，具有高度非理想性的合金相圖、熔鹽相因計算，有機物體系以及具有等離子態的物系中去，都是有希望的方向。
多相平衡數學模型，是基於熱力學平衡原理，結合質量守衡約束條件，給出的一組非線性方程的數學描述。
多相平衡的基本算法
多相多組分體系化學平衡計算是在一定的溫度和壓力下，求解各相平衡組成。基於熱力學原理進行多相多組分體系化學平衡計算的基本算法一般有兩種：一種是化學平衡常數法，另一種是最小自由能原理。基於熱力學原理的多相平衡的計算，均依據化學平衡條件和質量守衡約束條件建立多元非線性方程組，然後可直接對非線性方程組求解，或將非線性方程組轉化為線性方程組後，再用高斯消元法、三角分解法、疊代法等進行求解。對於利用化學平衡常數法建立的數學模型，一般採用的計算方法有Newton-Raphson法，擬牛頓法，S-C法，KZ法，遺傳算法，全局最佳化法等。對於最小自由能原理，有RAND法，NASA法，二次規劃的Wolfe法等。
多相平衡計算的元素勢法及其套用
針對冶金化工領域中多相反應體系的高效可靠計算問題，基於最小吉布斯函式原理和質量守恆定律，通過引入拉格朗日因子λ，運用元素勢概念，推導基於元素勢的多相平衡計算方法。結果表明：醋化反應多相複雜體系平衡計算結果與文獻值吻合很好，銅造硫熔煉過程多相平衡計算結果與生產實踐數據之間的誤差小於6%；該方法具有求解速度快，且在計算過程中不會出現負摩爾分數，說明此研究方法對求解複雜冶金化工多相平衡問題是有效可行的。
基於元素勢的多相平衡求解算法
元素勢法多相平衡方程組共有P+E個方程，或者說僅有P+E個待求變數,而平衡常數法有P+ΣCp（各相平衡產物數之和）個方程，基於最小吉布斯函式的RAND算法有E+ΣCp個。實際上，在絕大多數多相平衡計算中，P<<ΣCp，E<<ΣCp，因此基於元素法的多相平衡求解算法在速度上具有明顯優勢。可知，採用元素勢法求解不可能得出負的摩爾分數，因而特別適用於含有微量平衡組分的多相平衡計算。由於元素法本質上基於最小吉布斯原理，所以保留了不需要確定獨立化學反應的優點。
銅造鋶熔煉過程
銅造鋶熔煉過程可視為銅鋶、爐渣和煙氣三相平衡體系，其中銅鋶相包含Cu2S、FeS、FeO、Fe3O4等組分，爐渣相包含FeO、SiO2、Cu2S、Cu2O、Fe3O4、FeS等組分，爐渣相包含SO2、S2、O2、N2、H2O、H2、CO、CO2等組分。計算採用某廠某時期穩定生產的平均數據，即溫度1493K，混合精礦處理量168t/h,熔劑率10%；混合精礦主要成份為：Cu 26.65%，S 30.44%，Fe 26.98%，SiO25.73%，其它10.20%；送風量及風含氧量為：工藝風34481Nm3/h，工藝氧21369Nm3/h，分配風1283Nm3/h，中央氧1384Nm3/h；活度係數等熱力學數據摘自文獻。
可以看出，與生產實際數據相比，冰銅中Cu、Fe、S含量（質量分數，%）絕對誤差分別為1.49、0.52、0.71，相對誤差為2.6%、3.1%、3.3%；爐渣中Fe、SiO2、Cu含量（質量分數，%）絕對誤差分別為1.19、0.06、0.2，相對誤差為3.1%、0.2%、5.3%。由此可見，該方法能有效地套用於銅冶金多相平衡計算。
