湿法冶金锂离子电池回收过程模拟方法

技术领域

本发明具体涉及一种湿法冶金锂离子电池回收过程模拟方法。

背景技术

锂离子电池主要由锂、镍、钴、锰、铝、铜等金属组成，其中锂、镍、钴、锰等金属的质量占锂离子电池总质量的25％，占锂离子电池很大一部分质量，而且这些金属的价格昂贵、地球上的含量较少。随着新能源汽车的发展，锂离子电池的产量也逐渐增加，锂离子电池的报废量也与日俱增。如果对这些锂离子电池中的可回收金属不加以处理，不仅会限制新能源汽车的发展，而且会造成地球资源的枯竭。

当今锂离子电池回收技术主要集中在湿法冶金、火法冶金、电化学回收以及这些方法的组合。电化学回收方法以前主要用于污水处理、海水淡化等方面，随着电化学回收技术不断成熟，电化学的回收过程也逐渐应用于锂离子电池回收的过程，且回收过程无污染物排放、回收效率较高。而这些回收技术都主要是用实验手段实现的，而实验回收的实验周期长，且实验往往是小规模实验，无法真实体现大规模回收的锂离子电池回收流程。流程模拟软件发展至今，主要用于石油冶炼，铜矿、锌矿等湿法冶金采集过程的模拟，对锂离子电池的回收流程模拟屈指可数。而湿法冶金的锂离子电池回收流程与铜矿、锌矿的原理方法几乎相同，采用流程模拟软件针对锂离子电池贵金属的回收流程进行模拟，可以像铜矿、锌矿采集的模拟一样，预测其大规模的回收效率，这是实验往往无法做到的。

Aspen Plus流程模拟软件是一种强大的可以模拟湿法冶金回收的流程模拟软件，具有丰富的物性数据库的物性计算方法。尽管Aspen Plus软件在流程模拟领域具有很高的地位，但其缺少电化学计算模块，对于电化学方法存在的冶金过程无法直接模拟。

传统的湿法冶金回收流程主要包含酸溶、除杂、沉淀等过程。近年来电渗析方法也成为锂离子电池回收的流程之一。目前主流的Aspen Plus对湿法冶金回收过程的模拟主要包含酸溶、除杂、沉淀等过程，而没有电渗析方法的处理过程。这些模拟过程主要是用于预测湿法冶金采矿的效率。在Aspen Plus软件中，没有电化学计算模块，尽管其有自带的编程软件，但一方面编程过程复杂，另一方面是尽管编写的程序模块可以针对特定的电渗析过程进行计算，也很难与Aspen Plus主过程兼容，实现全流程模拟，这也是为什么目前AspenPlus几乎没有用于计算电渗析模块的原因。

COMSOLMultiphysics软件与AspenPlus不同，主要是用于CFD模拟，对于电化学回收过程，COMSOLMultiphysics软件中有成熟的电化学理论，对于不同的电化学过程都可以进行模拟。这一软件主要是针对某一流场域进行计算，分析不同的操作条件对计算结果的影响。与AspenPlus软件不同，COMSOLMultiphysics软件无法实现流程模拟的目的。

现有技术针对Aspen Plus流程模拟软件的应用做了探索，也有许多学者针对电渗析过程做了不同方面的CFD模拟，但学者们做的软件应用研究存在以下缺陷：

(1)Aspen Plus往往是被用于简单的模拟过程，比如在湿法冶金领域中，大多数使用到的Aspen Plus的过程都是不含电渗析过程的，这使得Aspen Plus软件在湿法冶金过程中的应用受限；

(2)COMSOL Multiphysics软件主要用于流体中的CFD模拟，可以实现电化学的模拟计算，但它不能实现流程模拟的功能；

当前Aspen Plus软件包中有用户自定义模块，可以针对电渗析过程进行自主编程计算，这增加了Aspen Plus软件可能应用到的领域，但是电渗析过程涉及到的理论复杂，即使自主编程得到的程序能够针对某一电渗析过程进行计算，其与Aspen Plus的主流程之间的耦合也会产生不兼容等问题，这是在技术上难以攻克的难题。

发明内容

在实际规模化回收锂离子电池贵金属产业中，需要对回收工艺流程进行工艺设计，并针对该工艺的回收效率以及工艺经济性进行评估。考虑到时间成本和物料成本，往往无法通过实验直接对大规模回收锂离子电池工艺进行实验计算。Aspen Plus软件可以针对湿法冶金锂离子电池回收过程进行模拟，但是其中缺少电化学计算模块；COMSOL软件可以针对电化学过程进行计算，弥补了Aspen Plus软件的这一缺陷。而两者所使用的领域不同，本发明目的在于将两者结合起来对湿法冶金锂离子电池回收过程进行模拟。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

湿法冶金锂离子电池回收过程模拟方法，包括以下步骤：

(1)利用Aspen Plus软件针对锂离子电池的湿法冶金回收过程搭建模拟流程，包括酸溶、除杂、沉淀以及电渗析模块的模型；其中，电渗析模块的模型采用化学计量反应器Rstoic模型替代；

(2)采用COMSOL软件对电渗析的过程进行CFD模拟，具体过程包含几何建模，网格划分，边界条件设定，计算求解，获得Li

其中，C

(3)将Li

按上述方案，Li

首先将COMSOL软件中的计算过程和计算结果与Excel工具结合，通过Excel函数编辑计算得到Li

将Aspen Plus软件中电渗析模型的替代模块Rsotic的初始参数和产品产量计算结果导入到Excel中；

将COMSOL中的计算结果，即Li

以往的Aspen Plus研究要么是仅针对没有电渗析过程的工业化流程模拟计算，COMSOL则基本是基于理论研究，仅对流场进行计算。本发明基于AspenPlus与COMSOL两个软件都能与Excel结合的特性，将两者结合起来，可以既可以解决Aspen Plus中没有电渗析模块的问题，又可以将COMSOL的计算结果与工业化流程模拟结合起来，拓展了Aspen Plus的应用场景，也开拓了COMSOL的新的研究领域。

本发明解决了Aspen Plus中的用户自定义模块编程和兼容困难的问题，利用COMSOL对电渗析过程进行计算，免去了编程困难的问题，而且模拟的结果更加可靠。

相对于现有技术，本发明有益效果如下：

利用COMSOL软件针对电渗析过程进行模拟，与通过Aspen Plus的用户自定义模型进行自主编程的过程相比，过程更加简单，而且COMSOL中得到的CFD模拟结果更加直观，不仅省却了编程时间，而且计算结果也更加可靠。

由于COMSOL与Aspen Plus软件都能够与Excel/VBA(Visual Baisc ofApplication)软件结合，利用简单工具将前者的计算结果与后者的计算过程结合，增加了Aspen Plus的应用场景，同时减少了通过编程实现Aspen Plus对电渗析过程进行计算的编程复杂性。

附图说明

图1：湿法冶金回收锂离子电池过程主要模拟思路。

图2：将COMSOL链接到Excel之后的界面。

图3：AspenPlus中电渗析反应器导入到Excel中之后的界面。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

具体实施方式提供了湿法冶金锂离子电池回收过程模拟方法，包括以下步骤：

采用Aspen Plus软件对包含电化学回收过程的湿法冶金锂离子电池回收过程进行模拟；参照附图1所示。

在电渗析处理硫酸锂转化为氢氧化锂过程模拟时，采用COMSOL Multiphysics软件对电渗析过程进行计算，得到硫酸锂的处理效率。

在AspenPlus软件中，若要采用电渗析过程处理硫酸锂，则需要反应效率这一参数，即上述反应中的硫酸锂中的锂离子转化为氢氧化锂中的锂离子的效率。为了获取这一数据，通过COMSOLMultiphysics软件对电渗析过程进行计算。

电渗析过程是将溶液中的阳离子和阴离子，在电流和离子交换膜的作用下，使得阳离子和阴离子分离，分别在阴极和阳极形成碱和酸的过程。在锂离子电池回收过程中的硫酸锂电渗析处理过程可以理解为以下反应：

Li

将所述转化效率的计算结果和AspenPlus的计算过程结合。具体地，采用Excel/VBA的编程将COMSOLMultiphysics计算的转化效率参数放到AspenPlus的转化效率参数模块，再点击Excel中AspenPlusWorkbook页面下的“计算”，即可直接在Excel中计算并更新在整个回收过程中的结果。

Aspen Plus的计算过程可以导入到Excel中，在Aspen Plus中，采用基于转化率的反应器的计算模型(即已知化学反应，基于反应物的转化率来确定反应之后的输出物质的模型)，用于模拟电渗析的过程。Aspen Plus的计算过程导入进入Excel的操作界面如图2所示。在Aspen Plus当中的反应器模块的转化效率参数复制到如图2所示的界面中，并将其link到Excel中，得到如图3所示的界面。

Aspen Plus的计算模型中，唯一未知的参数为电渗析过程的转化效率，而这一转化效率已经由COMSOL Multiphysics软件计算得到，因此只需要通过简单的Excel/VBA的编程将COMSOL Multiphysics计算的转化效率放到Aspen Plus的未知参数模块，再点击Excel中Aspen Plus Workbook页面下的“计算”，即可直接在Excel中计算并更新在整个回收过程中的结果。

实施例1

(1)利用Aspen Plus软件针对锂离子电池的湿法冶金回收过程搭建模拟流程，主要包括酸溶、除杂、沉淀以及电渗析模块的模型，其中前三个流程在Aspen Plus中都有可以对应计算的模型，而缺少电渗析模块，因此需要借助COMSOL的计算结果。针对Aspen Plus当中的电渗析计算模型，首先采用Rstoic模型(化学计量反应器)代替电渗析反应器模型，具体涉及的反应如上述第一步中的总反应所示，这一计算模型中唯一未知的模型参数为电渗析的转化效率，初始设置为50％。通过全流程的流程模拟之后，计算的结果为出口产品的产量，这里的产品主要是包含氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化锰以及氢氧化锂产品和硫酸产品，这些产品的产量会根据电渗析反应器的转化效率不同而改变。

(2)采用COMSOL软件对电渗析的过程进行CFD模拟，具体过程包含几何建模，网格划分，边界条件设定，计算求解，获得Li

其中，C

在电渗析反应器中所发生的反应如下：

阴极：2Li

阳极：

总反应：

(3)将转化效率(Li

首先将COMSOL软件中的计算过程和计算结果与Excel工具结合，COMSOL中的计算过程导入到Excel之后的界面如图2所示，通过Excel函数编辑计算得到上述式子中的转化效率η；

将AspenPlus软件中的电渗析反应器替代模块Rsotic的初始参数和产品产量的计算结果导入到Excel中，导入到Excel中的之后的界面如图3所示；

将COMSOL中的计算结果，即转化效率输入到Rsotic的初始参数处，直接在Excel中进行计算，可得到对应的产品产量计算结果。到此，整个包含电渗析方法的锂离子电池回收工艺的流程模拟工作结束。