钨离子交换吸附过程仿真优化实验
一、实验目的
1、培养学生自主设计钨离子交换吸附过程试验方案的能力；
2．培养学生独立分析解决钨离子交换吸附过程相关问题的能力；
3、通过计算机动态仿真，加深学生对钨离子交换工艺吸附过程的理解；
4、考察Na2WO4溶液中WO3浓度及吸附线速度对交换容量和吸附率的影响
二、实验原理
用碱法(如苏打烧结法、氢氧化钠浸出法)分解所得的粗钨酸钠溶液及酸法分解白钨精矿所得的粗钨酸中，都含有某些杂质，特别是磷、砷、硅。而生产工业钨酸要求钨酸钠溶液杂质很低，对高纯WO3则要求更高。因此应对粗钨酸钠溶液或粗钨酸进行进一步处理。一方面是除去杂质以保证产品三氧化钨或仲钨酸铵(APT)的纯度要求，另一方面应保证产品有一定的物理性能。
强碱性阴离子交换树脂净化钨酸钠溶液可同时完成净化除砷、磷、硅、锡等杂质并将钨酸钠转型成钨酸铵两项任务，除杂质主要是基于水溶液中各种阴离子对强碱性阴离子交换树脂的亲和力不同。WO42- 、MoO42-对树脂的亲和力基本相同，大体上大于AsO43-、SiO32-及OH-，而小于Cl-。在碱性的Na2WO4溶液中，钨、钼分别以WO42- 、MoO42-形态存在，因此利用其与阴离子交换树脂亲和力的差异可优先吸附在树脂上，从而与AsO43-、SiO32-等离子分离。
吸附期，将含磷、硅、砷、锡等杂质的粗钨酸钠溶液首先稀释成WO3 ：15~45g/l, Cl- <0.7g/l。用Cl-型201×7阴离子交换树脂进行吸附，此时由于树脂上Cl-浓度大，溶液中Cl-浓度小，WO42-浓度大而发生以下吸附反应
吸附反应：
使WO42-被树脂吸附，而AsO43-、PO43-等阴离子难被吸附而大部分随交后液排放，交后液含WO3小于0.1g/l。
三、仿真软件
钨离子交换仿真子系统采用图形化操作界面，工艺参数调整、设定直观方便。系统根据预设参数和操作信号，定量描述吸附过程，输出显示吸附过程柱内各离子成分瞬时分布数据，并动态绘制吸附过程柱内分布曲线；在该实验中，学生可自主设定各种工艺参数(如料液流速和浓度等)，在不同参数条件下，实时观察柱内树脂床层的饱和段、交换段以及未反应段随时间的移动变化情况，深入了解离子交换过程机理与规律。同时，可通过条件实验，确定最佳工艺条件。
图1 钨离子交换仿真软件运行界面图
四、实验工艺参数
该仿真实验主要工艺参数选择范围如下：
床层高度(cm)=100~600
柱直径(cm)=20~100
料液浓度(WO3, g/l)=15~45
吸附期线速度(cm/min)=5~15
WO42-扩散系数(cm2/s)=0.000010
Cl- 扩散系数(cm2/s)=0.000014
膜厚度(cm)=0.0005
交换容量(mN/g)=3
平均粒度(mm)=0.77
穿漏浓度(WO3, g/l)=0.1
五、实验步骤及内容
1、在工艺参数表中输入各工艺参数。
2、吸附线速度(5~15cm/min)范围内自主选择1个吸附线速度，自主考察3个料液浓度(WO3：15~45g/l)对吸附率和交换容量的影响，绘制并比较不同料液浓度时的吸附曲线变化情况。选出最优的料液浓度。对所得结果给予理论上的解释。
3、在上步确定的最优料液浓度下，自主考察3个吸附线速度(5~15cm/min)对吸附率和交换容量的影响。绘制并比较不同吸附线速度时的吸附曲线变化情况。选出最优的吸附线速度。对所得结果给予理论上的解释。
六、 实验结果及分析
输出并打印各条件下的运行结果，绘制不同条件下的吸附曲线，结合数据与曲线进行理论分析，分析各影响因素对吸附过程中吸附率和交换容量的影响及其原因，并得出结论。
七、思考题
1、钨离子交换吸附过程中料液浓度对吸附率和交换容量有何影响？
2、粗钨酸钠溶液成份中哪些离子会影响WO42-的吸附，如何影响？
3、钨离子交换吸附过程中吸附线速度对吸附率和交换容量有何影响？
4、料液浓度和吸附线速度对穿漏时间有何影响？
钨离子交换淋洗过程仿真优化实验
一、实验目的
1、培养学生自主设计钨离子交换淋洗过程试验方案的能力；
2、培养学生独立分析解决钨离子交换淋洗过程相关问题的能力；
3、通过计算机动态仿真，加深学生对钨离子交换法淋洗过程的理解；
4、通过考察淋洗剂浓度及淋洗线速度的变化对解吸效果及淋洗峰的影响，确定淋洗过程的最优工艺条件。
二、实验原理
用碱法(如苏打烧结法、氢氧化钠浸出法)分解钨矿物原料所得的粗钨酸钠溶液及酸法分解白钨精矿所得的粗钨酸中，都含有某些杂质，特别是磷、砷、硅、锡。而生产工业钨酸要求钨酸钠溶液中：
对高纯WO3则要求更高。因此应对粗钨酸钠溶液或粗钨酸进行进一步处理。一方面是除去杂质以保证产品三氧化钨或仲钨酸铵(APT)的纯度要求，另一方面应保证产品有一定的物理性能，主要是其粒度和粒度组成，因为WO3或APT的粒度和粒度组成直接影响到钨粉的性能及碳化钨的性能，并进而影响到钨坯条及硬质合金的质量。
强碱性阴离子交换树脂可同时完成净化除砷、磷、硅、锡等杂质并将钨酸钠转型成钨酸铵两项任务，除杂质主要是基于水溶液中各种阴离子对强碱性阴离子交换树脂的亲和力不同，其亲和力顺序为：
WO42- 、MoO42-对树脂的亲和力基本相同，大体上大于AsO43-、SiO32-及OH-，而小于Cl-。
在碱性的Na2WO4溶液中，钨、钼分别以WO42- 、MoO42-形态存在，因此利用上述亲和力上的差别可优先吸附在树脂上，而与AsO42-、SiO32-等离子分离，达到净化提纯的目的。
吸附期，用Cl-型201×7阴离子交换树脂进行吸附，由于树脂上Cl-浓度大，溶液中Cl-浓度小，WO42-浓度大而发生以下吸附反应：
吸附反应：
使WO42-被树脂吸附，而AsO43-、PO42-等阴离子难被吸附而大部分随交后液排放。
当吸附有WO42-的树脂与浓的含Cl-溶液接触，则Cl-将被吸附的WO42-置换进入溶液，同时树脂重新转型为Cl-型，其淋洗反应为：
钨离子交换仿真子系统采用图形化操作界面，工艺参数调整、设定直观方便。系统根据预设参数和操作信号，定量描述淋洗过程，输出显示淋洗过程柱内组份瞬时分布数据，并动态绘制淋洗过程淋洗曲线；在该仿真实验中，学生可自主设定各种工艺参数(如解析液流速和浓度等)，在不同参数条件下，实时观察淋洗曲线变化情况，深入了解离子交换过程机理与规律。同时，可通过条件实验，确定最佳工艺条件。
图1 钨离子交换仿真软件运行界面图
三、实验工艺参数
该仿真实验主要工艺参数选择范围如下：
床层高度(cm)=100~600
柱直径(cm)=20~100
料液浓度(WO3g/l)=15~45
吸附期线速度(cm/min)=5~15
WO42-扩散系数(cm2/s)=0.000010
Cl-扩散系数(cm2/s)=0.000014
膜厚度(cm)=0.0005
交换容量(mN/g)=3
平均粒度(mm)=0.77
穿漏浓度(WO3g/l)=0.1
R-Cl电离常数=0.00001
R2-WO4电离常数=4.0e-13
淋洗剂NH4Cl浓度(mol//l)=2~5
淋洗线速度(cm/min)=3~9
四、实验步骤及内容
1、在工艺参数表中输入吸附期最优的工艺参数，并选择其它工艺参数。在吸附期最优的工艺参数下进行吸附过程。
2、自主设定淋洗线速度(3~9cm/min)，考察不同淋洗剂浓度(NH4Cl：2~5mol/l)对解吸效果的影响，以确定最优的淋洗剂浓度。
3、在上步确定的最优的淋洗剂浓度下，自主确定不同的淋洗线速度(3~9cm/min)，考察其对解吸效果的影响，以确定最优的淋洗线速度。
五、实验结果与分析
输出并打印各条件下的运行结果，绘制不同条件下的淋洗曲线，结合数据与曲线进行理论分析，分析各影响因素对淋洗过程中解吸率的影响及其原因，并得出结论。
六、思考题
1、钨离子交换淋洗过程中淋洗线速度对淋洗峰有何影响？
2、钨离子交换淋洗过程中淋洗剂浓度对淋洗峰有何影响？
3、钨离子交换淋洗过程中淋洗剂浓度和淋洗线速度对淋洗时间分别有何影响？
4、洗出液为什么要分为三段？哪一段洗出液的杂质含量最高？
离子交换过程动态仿真系统（IEDS）简介
l 系统原理
根据钨离子交换冶金过程特点，基于Fick第一、第二定律和离散化思想，以流动溶液微元层方式模拟柱内溶液流动过程，建立了离子交换过程外扩散、内扩散及交换反应数学模型，自主研发了离子交换过程动态仿真系统（IESS）。IESS可对固定床离子交换冶金的吸附、解析（淋洗）过程进行动态仿真模拟。
l 
系统功能
1) 钨离子交换吸附过程工艺优化设计
2) 钨离子交换解吸过程工艺优化设计
3) 离子交换仿真实验教学
l 系统操作步骤
1) 输入料液浓度、流速等工艺参数
2) 自主设定钨离子交换吸附/解吸过程仿真优化实验方案
3) 开启/关闭相应阀门开展仿真实验
4) 输出仿真实验结果（数据/曲线）
5) 基于钨离子交换冶金过程原理，确定较优工艺参数实验方案
6) 根据仿真结果，撰写实验报告
