响应曲面法优化微波干燥锌浸出渣的实验研究

论文导读：本文通过对不同功率及物料量下的锌浸出渣的脱水率进行了研究。采用响应曲面法（RSM）对微波辐射时间、物料质量和微波功率等条件进行优化。采用烘箱烘干法对原料的初始湿基含水率进行了测定。实验在自制的微波干燥设备中进行。
关键词：锌浸出渣，微波干燥，湿基含水率，响应曲面

 

前 言

湿法锌炼金常规工艺产出的酸浸渣，均都采用回转窑或烟化炉处理。酸浸渣经过滤后，含水率约为22~30%，不能直接进行生产，在进行烟化处理之前需进行干燥，将含水率降低至12%以下[1, 2]。针对酸浸渣干燥，目前主要采用的工艺及设备为日光干燥、气流干燥、流态化干燥等常规热力干燥方法。日光干燥速率小、时间长，导致干燥效率低、堆场压力大。气流干燥和流态化干燥属于热介质干燥，传热方向与水分扩散方向相反，反方向的温度梯度降低了传质速率 [3]。工厂本身的废热余热并不能完全满足干燥需求，需建立庞大的过热蒸汽发生器，带来新的环境污染和产能损失。因此探索锌浸出渣的干燥工艺对促进节能减排具有重要的现实意义。

本文通过对不同功率及物料量下的锌浸出渣的脱水率进行了研究，采用响应曲面法（RSM）对微波辐射时间、物料质量和微波功率等条件进行优化，分析得出最佳工艺条件为以及此条件下的含水率预测值，并采用平行实验对最佳工艺条件进行的验证。

1 实验准备实验所用的酸浸渣为云南省云南驰宏锌锗股份有限公司曲靖锌厂厢式压滤机所产的滤饼。采用烘箱烘干法对原料的初始湿基含水率进行了测定。得出原料的平均初始含水率为23.15%。论文格式，湿基含水率。。实验在自制的微波干燥设备中进行，额定功率0-700W，频率2450MHz。

2实验结果及讨论2.1微波功率对含水率的影响分别取200g锌浸出渣，在119W、231W、385W、539W、700W功率条件下，将物料放入微波炉进行干燥，每1min取出一次，迅速称量，时间控制在10S以内，继续放入微波炉中进行干燥。不同功率下物料的湿基含水率变化的曲线如图1所示。

图1 不同功率条件下湿基含水率变化曲线

Figure 1. Effect of microwave power on themoisture content (w.b)

从图1可以看出微波功率对干燥效果的影响非常显著，700W及539W下脱湿基含水率变化曲线与其他三条曲线差别较大，在3min时就能达到10%。论文格式，湿基含水率。。在119W功率条件下，湿基含水率变化缓慢，在12min后才能含水率从23.16%下降到22.3%；700W功率条件下，容易使物料出现局部温度过高，发生烧焦、冒烟现象。119、231、385、539、700W五个功率条件下，锌浸出渣湿基含水率降低至10%以下所需微波干燥时间分别为38、12、7、5、5min。

2.2物料量对含水率的影响在539W的微波功率条件下，分别将100g、150g 、200g、250g、300g、350g锌浸出渣的湿基含水率变化的曲线如图2所示。

图2 不同的物料量条件下湿基含水率的变化曲线

Figure 2. Effect of sample mass on the moisturecontent (w.b)

从图2可以看出，质量对脱水率的影响显著。不同质量的脱水率变化趋势均为由平缓→剧烈→平缓，100、150、200、250、300、350g六个物料量条件下锌浸出渣湿基含水率降低至10%以下所需微波干燥时间分别为3、4、5、6、7、8 min。论文格式，湿基含水率。。

2.3响应面法优化实验设计综合考虑单因子实验结果，根据中心组合设计原理，采用响应面法在三因素4水平上对微波干燥锌浸出渣工艺条件进行了优化。

对实验数据进行拟合回归，以含水率（Y）为因变量，物料质量（A）,微波功率（B）,时间（C）为自变量建立回归方程为：

Y =16.34+3.81A－4.73B－2.07C+2.09AB+0.49AC－0.68BC－0.97A2－0.67B2+0.034C2

回归方程的可信度分析见表1，其中R2=94.75%,表明94.75%的实验数据可用该模型进行解释，说明方程的可靠性较高。

表1 回归方程可信度分析

Table.1. Reliability of regression equation

结合干燥企业对物料的干燥要求(含水率在10%以下)，利用软件对实验数据进行优化拟合，由响应曲面法RSM软件分析得到最佳工艺条件为：230g，微波功率为465W，时间为6.2min，此时理论湿基含水率达到了9.87%，为了验证响应曲面法的可靠性，3次平行实验得到的目标函数平均值的精度为98.99%，与优化理论值的差值约为1.01%。

3 结 论（1）微波功率对锌浸出渣含水率有显著影响。200g 物料在119、231、385、539、700W五个功率条件下，湿基含水率降低至10%以下所需微波干燥时间分别为38、12、7、5、5min。物料量对锌浸出渣含水率影响较大100、150、200、250、300、350g六个物料量条件下湿基含水率降低至10%以下所需微波干燥时间分别为3、4、5、6、7、8 min。

（2）响应面法优化微波干燥锌浸出渣的最佳工艺条件为：物料质量为230g，微波功率为 465W，时间为6.2min。此时理论含水率达到了9.87% ，3次平行实验得到的目标函数平均值的精度为98.99%，与优化理论值的差值约为1.01%。回归分析和验证实验表明了该响应面法的合理性和可行性。

参考文献[1]宁模功，张允恭．从湿法炼锌工艺产出的钴镍渣中回收锌[J]．湿法冶金，2002：39-45.
[2]刘洪萍．锌浸出渣处理工艺概述[J]．云南冶金，2009，38（4）：34-37,47.
[3]Zhao,H.L.;Wang,D.X.;Cai,Y.X.;Zhang,F.C.Removalofironfromsilicasandbysurfacecleaningusingpowerultrasound.MineralsEngineering2007,20(8),816-818.
[4]BoxGEPandWilsonKB，OntheExperimentalAttainmentofOptimumConditions．JournaloftheRoyalStatisticalSociety．1951，13(B)：1-45.
[5]MyersRH．ResponseSurfaceMethodology-CurrentStatusandfutureDirections．JournalofQualityTechnology，1999，31：30-74.