CN112949113B - 一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法。首先采用有限元多物理场模拟仿真软件对含铁溶液针铁矿沉铁过程进行模拟仿真，获得针铁矿沉铁过程溶液体系各点位物理、化学结构的时空变化规律，获得针铁矿沉铁最佳反应器结构及最佳反应条件。将此最佳条件应用于真实含铁溶液的针铁矿法沉铁过程，可以实现对针铁矿沉铁过程的精准控制，获得最佳的针铁矿沉铁效果，达到溶液高效、稳定除铁的目的。

Description

一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法

技术领域

本发明涉及有色金属冶金领域，特别涉及一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法。

背景技术

有色金属矿通常与铁的化合物伴生，湿法冶炼时铁易于有色金属一同进入溶液，为了获得高质量的金属产品，必须首先将溶液中的铁除尽。

水溶液中净化除铁的基本原理是将铁离子沉淀分离，目前常用的主要方法有：①氢氧化铁沉淀法，即使溶液中的铁以Fe(OH)₃胶体析出，该方法主要存在固液分离困难的问题，特别是当溶液含铁较高时，Fe(OH)₃胶体易堵塞板框压滤机导致生产过程难以进行；②赤铁矿法沉铁，使溶液中的铁以赤铁矿形式入渣，1968年～1970年由日本同和矿业公司发明，1972年在日本饭岛炼锌厂投入生产，采用“复浸出—赤铁矿法”沉铁，国内目前云南云锡文山锌铟冶炼有限公司也正建设基于赤铁矿法沉铁技术路线的湿法炼锌生产线。该法需要昂贵钛材制造高压设备和附设SO₂液化工厂，投资费用高，且有一个单独还原铁的阶段；③黄钾铁矾法，基于有铵或碱金属离子存在时，溶液中的铁生成黄钾铁矾进入渣中而除去，但也给溶液带入了如K⁺、Na⁺或NH₄ ⁺等杂质离子；④针铁矿法沉铁，使溶液中的铁以针铁矿形态入渣。1965年～1969年由比利时老山公司(Vieille Montagne)研制，1971年在巴伦(Balen)厂投产。针铁矿法具有工艺设备简单、除铁成本较低、铁沉降物呈结晶态因而过滤性能良好等优点，但目前大量工业实践发现针铁矿法存在沉铁渣晶型混杂难控制、沉铁渣铁低含量低、难以高值回收利用等突出问题。

已开展的研究表明，针铁矿法沉铁包括一系列复杂的物理化学反应过程，包括二价铁离子氧化、三价铁离子水解以及中和反应等。这些化学反应过程受温度、晶种、搅拌速度、催化程度、组分浓度以及pH值等因素影响。铁在溶液中的还原、氧化、结晶析出涉及一系列气、液、固三相互相耦合的化学、物理反应，反应机理非常复杂。国内外专家学者对此进行了大量研究工作，目前文献归纳的针铁矿法沉铁主要工艺条件通常为pH3～4、温度70～90℃、溶液中Fe³⁺浓度小于1g/L等，可允许浮动的范围非常窄，参数控制要求极为严格。但在规模化生产中，由于针铁矿沉铁工序通常由多台连续沉铁反应器串联组成，反应溶液入口与出口存在较大的时滞，且沉铁反应器体积庞大，沉铁过程溶液中不同位置处Fe²⁺/Fe³⁺浓度、pH值和温度呈非线性、时变等特点，尤其在实际生产中随着生产原料、沉铁过程上一还原工序工况等的变化，使得不同批次进入到针铁矿沉铁工序的溶液量、溶液结构等常常差异较大，依照现有的人员经验调控方式，难以实现对沉铁过程参数进行实时调控，导致实际沉铁时溶液中不同位置、同一位置不同时间点其流速、密度、粘度、pH值、温度、离子浓度等变化很大。而针铁矿沉铁过程对溶液物理场性质(流速、温度、密度、粘度等)、化学场性质(亚铁离子浓度、pH值等)的变化非常敏感，不同批次的含铁溶液采用同一针铁矿法沉铁工艺参数进行沉铁，显然难以实现准确、稳定地针铁矿法沉铁，使得针铁矿沉铁渣晶型常常不稳定，导致所产铁渣铁品位低、渣量大、难过滤，且难以实现铁渣资源化、全量化高值回收利用。本领域急需一种能够在规模化针铁矿沉铁前，能够对沉铁过程及沉铁效果实现预测、评估的方法及手段，并在获得合格沉铁评估效果后，可按照经效果评估后的工艺参数进行实际针铁矿沉铁操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁技术，在真实溶液进行针铁矿法沉铁实际操作前，首先采用有限元多物理场模拟仿真软件对该溶液针铁矿沉铁过程进行模拟仿真，获得针铁矿沉铁过程溶液体系各点位物理、化学结构的时空变化规律，获得针铁矿沉铁最佳反应器结构及最佳反应条件。在反应器结构一定的条件下通过模拟仿真，预先获得不同批次含铁溶液针铁矿法沉铁的最佳反应参数区间，并实现对针铁矿法除铁过程、除铁效果的预评估，为每批次真实针铁矿法沉铁操作提供最适合、最准确的工艺参数，并按此工艺参数开展针铁矿法沉铁操作，实现对针铁矿沉铁过程的精准控制。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法，包括以下步骤：

步骤1，对针铁矿沉铁过程中与反应有关的参数进行求解，然后根据实际沉铁反应器结构建立仿真模型；

步骤2，基于仿真模型进行反应条件的边界设置，并对仿真模型进行网格划分；

步骤3，对反应过程基于步骤1和2设置的条件进行求解，输出计算结果；

步骤4，根据计算结果对沉铁反应器结构进行优化，并返回步骤2重新执行，直至得到最佳计算结果，从而得出针铁矿法沉铁最佳反应条件区间。

所述的方法，所述的步骤1中，对针铁矿沉铁过程中与反应有关的参数进行求解包括以下步骤：

步骤①，对针铁矿沉铁过程的气体传质速率、Fe²⁺氧化速率和中和反应速率参数求解：根据气体传质过程服从双膜理论来推导溶液中气体浓度和时间之间的微分方程，利用分光光度计测量不同时间下溶液中的气体浓度，再进行最小二乘法拟合，得出气体传质速率；然后根据氧化反应原理推导Fe²⁺氧化过程动力学，结合气体传质速率方程，得出Fe²⁺和气体浓度与时间之间的微分方程，利用滴定和ICP结合的方法测量不同时间下溶液中Fe²⁺浓度，再进行最小二乘法拟合，得出Fe²⁺氧化速率方程；基于未反应收缩核模型推导中和反应过程动力学，得出中和剂浓度与时间之间的微分方程，通过滴定和ICP结合的方法测量不同时间下溶液中中和剂浓度，再进行最小二乘法拟合，得出中和反应速率方程；

步骤②：对针铁矿沉铁过程的含铁溶液密度、粘度、表面张力和导热系数溶液性质参数求解：溶液密度、粘度、表面张力和导热系数分别利用密度仪、乌式粘度仪、表面张力仪和导热系数仪通过控制变量法进行测量，通过测量不同Fe²⁺浓度、Zn²⁺浓度和温度溶液的密度、粘度、表面张力和导热系数得到测量结果，再利用最小二乘法拟合处理，得到溶液密度、粘度、表面张力和导热系数各自与Fe²⁺浓度、Zn²⁺浓度和温度之间的关系表达式。

所述的方法，所述的步骤1中，根据实际沉铁反应器结构建立仿真模型是根据实际沉铁反应器几何形状及尺寸，以及实际沉铁反应器中搅拌桨、进液口、出液口、进气口、出气口、进料口和加热套管的结构数据建立仿真模型。

所述的方法，所述的步骤2包括以下过程：

对所建立仿真模型以实际生产所用进气流量、进液流量、投料量、搅拌速率和加热介质流量参数为基准，以±20％为范围，作为边界条件；然后基于当前仿真过程对于精度的要求进行网格划分。

所述的方法，所述的步骤3包括以下过程：

对流场、化学传质场、温度场耦合模拟沉铁过程通过瞬态非线性求解器求解偏微分方程；并输出针铁矿沉铁反应器内不同区域、不同时间下的溶液流速、温度、密度、粘度、压力以及Fe²⁺浓度和pH的变化范围作为计算结果。

所述的方法，所述的步骤4中，根据计算结果对沉铁反应器结构进行优化，是通过改变沉铁反应槽槽型、搅拌器类型以及槽内挡板控制溶液流出方式，并根据改变后的计算结果是否提高来进行的。

所述的方法，所述的步骤4中，针铁矿法沉铁最佳反应条件区间为75℃-80℃、进液流速为100m³/h～300m³/h、pH值为3.5～4.0、氧气流量为100m³/h～400m³/h、搅拌速度为48rpm～136rpm和反应时间为4000s～6000s。

所述的方法，在进行模拟仿真时，是采用有限元多物理场模拟仿真软件实现，其中有限元多物理场模拟仿真软件为ANSYS，ADINA，ABAQUS，MSC和COMSOLMultiphysics中的一种。

本发明的技术效果在于，由于针铁矿法除铁技术最大的特点在于沉铁时对溶液pH值、温度、亚铁溶液中Fe³⁺浓度等条件要求严格(例如，pH值要求严格限制在某一个值，通常3～4、温度通常限制在70～90℃、亚铁溶液中Fe³⁺离子浓度不高于1g/L等等)，只有在该工艺参数范围内操作，溶液中的铁离子才能稳定地以针铁矿形态析出。但在溶液净化沉铁的生产实际中，要达到该条件要求难度极大。原因在于，工业实际生产中，溶液体积庞大，通常超过300m³/批次，如此庞大的溶液体积必然存在浓度梯度、温度梯度等不均匀现象，而生产操作时以有限的点位分析结果显然无法代表全溶液体系内真实存在的化学成分、温度波动等状态，而以有限点位分析的结果来指导针铁矿法除铁操作，必然导致除铁时无法获得最佳的针铁矿沉铁工艺条件，使得沉铁渣通常含有Fe(OH)₃、纤铁矿、磁铁矿、各种铁矾渣等。加之在规模化生产中，由于针铁矿沉铁工序通常由多台连续沉铁反应器串联组成，反应溶液入口与出口存在较大的时滞，溶液入口流速也时常变化，且沉铁反应器体积庞大，沉铁过程溶液中不同位置处Fe²⁺/Fe³⁺浓度、pH值和温度呈非线性、时变等特点，难以实现对溶液性质的实时调控，使得针铁矿沉铁渣晶型常常难以稳定控制，导致所产铁渣铁品位低、有价金属夹杂损失率高。

本发明针对现有溶液针铁矿法除铁反应器体积庞大，沉铁过程溶液中不同位置处Fe²⁺/Fe³⁺浓度、pH值和温度呈非线性、时变等特点，尤其是实际生产中由于生产原料、沉铁过程上一还原工序工况等的变化，导致不同批次进入到针铁矿沉铁工序的溶液量、溶液结构等常常差异较大，依照现有的人员经验调控方式，难以实现对沉铁过程参数进行实时调控，使得实际沉铁时溶液中不同位置、同一位置不同时间点其流速、密度、粘度、pH值、温度、离子浓度等变化很大，导致沉铁渣晶型混杂难控制、沉铁渣中有价金属夹杂损失量大，过滤速度慢等工业实践遇到的实际问题，提供了一种可以提前模拟优化、仿真并对除铁效果进行预评估的可视化针铁矿法除铁技术，为不同批次含铁溶液针铁矿除铁实际操作提供准确且最优的工艺操作参数。本发明能解决现有针铁矿法除铁技术存在沉铁渣量大、晶型难以稳定控制、沉铁效率低、有价金属损失率高、过滤困难等问题，对促进我国有色金属湿法冶金技术进步和节能减排具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1的沉铁反应器仿真模型示意图；

图2为本发明实施例1的仿真结果中Fe²⁺浓度分布图；

图3为本发明实施例1的仿真结果中pH分布图；

图4为本发明实施例1的仿真结果中温度分布图；

图5为本发明实施例2的沉铁反应器仿真模型示意图；

图6为本发明实施例2的仿真结果中Fe²⁺浓度分布图；

图7为本发明实施例2的仿真结果中pH分布图；

图8为本发明实施例2的仿真结果中温度分布图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明，但本发明并不限于下述实施例。

实施例1

广东某湿法炼锌厂除铁净化车间某批次含铁溶液共计176m³，其中含Fe²⁺10.8g/L，Zn²⁺168.8g/L，Mn²⁺9.6g/L，Mg²⁺8.1g/L，Cd²⁺0.48g/L。

在开始针铁矿法除铁前，通过有限元分析软件COMSOL Multiphysics对沉铁过程进行预测分析，包括以下步骤：

(1)物理场模型的建立；

进入软件，选择新建“模型向导”，选择流体流动、化学物质传递和传热物理场，并选择研究为瞬态。

(2)模型的建立；

通过广东某湿法炼锌厂除铁净化车间所用沉铁反应器真实尺寸设定模型整体尺寸，再根据实际尺寸分别添加设定气体导管、搅拌桨、进液管、出液管、进料管。根据搅拌桨大小设定旋转区域，并设定形成为装配体，如图1所示。

(3)材料参数的设定；

添加空材料和氧气材料，根据求解得出的各项溶液参数如粘度、密度等对空材料进行赋值，从而将空材料定义为溶液。本实施例中

(4)初始值和边界条件的设定；

设定气体进口壁进气流量分别为50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h。气体出口壁边界条件为气体出口、液体进口进液流量分别为50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h。液体出口为无回流、搅拌速率为68rpm；ZnO加入口进料量分别为1t/h、2t/h、3t/h、4t/h、5t/h。Fe²⁺氧化反应速率其中c_Fe2+为溶液中Fe²⁺浓度，c_O2为溶液中氧气浓度；气体传质速率/> 其中K_LO为氧气传质速率常数，P_O2为氧气分压，H_O2为亨利系数，c_O2为溶液中氧气浓度，M_O2为氧气摩尔质量，v_g为气体流量，n为搅拌速率；中和反应速率/>其中c_H+为溶液中H⁺浓度。

(5)网格划分和计算分析

网格序列类型为物理场控制网格，单元大小为粗化；总计算时间为20000s，计算步长为10s。检查确认模型无错误后计算，计算完成后进行结果分析，Fe²⁺浓度分布如图2所示，pH分布如图3所示，温度分布如图4所示。

通过对沉铁过程的预测、优化，确定最佳工艺参数为进气流量为200m³/h，进液流量为50m³/h，ZnO加入量为3t/h。

根据该优化条件进行针铁矿法沉铁生产4h后，得到除铁后液Fe²⁺0.08g/L，Zn²⁺221.5g/L，Mn²⁺8.45g/L，Mg²⁺7.12g/L，Cd²⁺0.18g/L；除铁渣含锌7.2％，渣含铁41.2％。

实施例2

广东某湿法炼锌厂除铁净化车间某批次含铁溶液共计176m³，其中含Fe²⁺10.8g/L，Zn²⁺168.8g/L，Mn²⁺9.6g/L，Mg²⁺8.1g/L，Cd²⁺0.48g/L。

在开始针铁矿法除铁前，通过有限元分析软件对沉铁过程进行预测分析，包括以下步骤：(1)物理场模型的建立；

进入软件，选择新建“模型向导”，选择流体流动、化学物质传递和传热物理场，并选择研究为瞬态。

(2)模型的建立；

通过广东某湿法炼锌厂除铁净化车间所用沉铁反应器真实尺寸设定模型整体尺寸，再根据实际尺寸分别添加设定气体导管、搅拌桨、进液管、出液管、进料管。根据原有搅拌桨尺寸，增加一个搅拌桨。根据搅拌桨大小设定旋转区域，并设定形成为装配体，如图5所示。

(3)材料参数的设定；

添加空材料和氧气材料，根据求解得出的各项溶液参数对空材料进行赋值，定义为溶液。(4)初始值和边界条件的设定；

设定气体进口壁进气流量为200m³/h；气体出口壁边界条件为气体出口、液体进口进液流量分别为50m³/h；液体出口为无回流、搅拌速率为68rpm；ZnO加入口进料量分别为3t/h；Fe²⁺氧化反应速率其中c_Fe2+为溶液中Fe²⁺浓度，c_O2为溶液中氧气浓度；气体传质速率/>其中K_LO为氧气传质速率常数，P_O2为氧气分压，H_O2为亨利系数，c_O2为溶液中氧气浓度，M_O2为氧气摩尔质量，v_g为气体流量，n为搅拌速率；中和反应速率r2＝0.0015c_H+，其中c_H+为溶液中H⁺浓度。

(5)网格划分和计算分析

网格序列类型为物理场控制网格，单元大小为粗化；总计算时间为20000s，计算步长为10s。检查确认模型无错误后计算，计算完成后进行结果分析。

通过对沉铁过程的预测、优化，调整该沉铁反应器中搅拌桨叶布局及桨叶数(由原来的上下共10桨叶，调整为上、中、下4、4、6桨叶，上中桨为斜片式桨叶，下桨叶为R式桨叶)使得反应器中溶液化学结构达到最均匀，消除了不同位置处溶液物理场、化学场的梯度，Fe²⁺浓度分布如图6所示，pH分布如图7所示，温度分布如图8所示。

根据模拟得到的最佳工艺参数，并在优化改进的除铁反应器生产4h后，得到除铁后液Fe²⁺0.07g/L，Zn²⁺220.1g/L，Mn²⁺7.14g/L，Mg²⁺5.98g/L，Cd²⁺0.28g/L；除铁渣含锌7.6％，渣含铁41.9％。

实施例3

云南某湿法炼锌厂除铁净化车间某批次含铁溶液共计354m³，其中含Fe²⁺12.15g/L，Zn²⁺124.05g/L，Mn²⁺5.14g/L，Mg²⁺1.54g/L，Cd²⁺0.28g/L，Al³⁺0.23g/L。

在开始针铁矿法除铁前，通过有限元分析软件对沉铁过程进行预测分析，包括以下步骤：

(1)物理场模型的建立；

进入软件，选择新建“模型向导”，选择流体流动、化学物质传递和传热物理场，并选择研究为瞬态。

(2)模型的建立；

通过云南某湿法炼锌厂除铁净化车间所用沉铁反应器真实尺寸设定模型整体尺寸，再根据实际尺寸分别添加设定气体导管、搅拌桨、进液管、出液管、进料管。根据搅拌桨大小设定旋转区域，并设定形成为装配体。

(3)材料参数的设定；

添加空材料和氧气材料，根据求解得出的各项溶液参数对空材料进行赋值，定义为溶液。

(4)初始值和边界条件的设定；

设定气体进口壁进气流量分别为50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h；气体出口壁边界条件为气体出口、液体进口进液流量分别为50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h；液体出口为无回流、搅拌速率为60rpm；ZnO加入口进料量分别为1t/h、2t/h、3t/h、4t/h、5t/h；Fe²⁺氧化反应速率其中c_Fe2+为溶液中Fe²⁺浓度，c_O2为溶液中氧气浓度；气体传质速率/> 其中K_LO为氧气传质速率常数，P_O2为氧气分压，H_O2为亨利系数，c_O2为溶液中氧气浓度，M_O2为氧气摩尔质量，v_g为气体流量，n为搅拌速率；中和反应速率/>其中c_H+为溶液中H⁺浓度。

(5)网格划分和计算分析

网格序列类型为物理场控制网格，单元大小为粗化；总计算时间为20000s，计算步长为10s。检查确认模型无错误后计算，计算完成后进行结果分析。

通过对沉铁过程的预测、优化，确定在沉铁反应器平行纵轴方向设置一挡液板改变溶液出口流向，并确定最优工艺参数为进气流量为300m³/h，进液流量为100m³/h，ZnO加入量为5t/h。

在改进后的反应器内，并根据最优工艺参数进行生产6h后，得到除铁后液Fe²⁺0.05g/L，Zn²⁺190.45g/L，Mn²⁺3.14g/L，Mg²⁺0.81g/L，Cd²⁺0.07g/L，Al³⁺0.01g/L；除铁渣含锌5.82％，渣含铁47.47％。

对比例1

以上述实施例1中所述含铁溶液进行针铁矿除铁反应，未进行模拟预测分析，根据原工艺参数进行生产，进气流量为150m³/h，进液流量为150m³/h，ZnO加入量为5t/h。在此工艺条件下除铁4h，反应结束后对除铁后液和除铁渣进行分析，得到除铁后液Fe²⁺1.25g/L，Zn²⁺238.20g/L，Mn²⁺9.54g/L，Mg²⁺9.71g/L，Cd²⁺0.24g/L；除铁渣含锌11.51％，除铁渣含铁29.14％(针铁矿矿法实际工业生产中，通常将含锌大于10％、含铁小于30％的除铁渣认为是不合格铁渣)。另外该沉铁渣中未见明显针铁矿物相，而是以难以过滤的铁氧不定型物相，以及铁钒相为主。

对比例2

以上述实施例2中所述含铁溶液进行针铁矿除铁反应，未通过模拟改进优化反应器(未增加搅拌桨个数)，而是根据原工艺参数及设备进行生产，进气流量为150m³/h，进液流量为150m³/h，ZnO加入量为5t/h。在此工艺条件下除铁4h，反应结束后对除铁后液和除铁渣进行分析，得到除铁后液Fe²⁺1.25g/L，Zn²⁺238.20g/L，Mn²⁺9.54g/L，Mg²⁺9.71g/L，Cd²⁺0.24g/L；除铁渣含锌12.51％，除铁渣含铁26.14％。另外沉铁渣中未见明显针铁矿物相，而是以难以过滤的铁氧不定型物相，以及铁钒相为主。

对比例3

以上述实施例3中所述含铁溶液进行针铁矿除铁反应，未进行模拟预测分析，根据原工艺参数进行生产，进气流量为200m³/h，进液流量为200m³/h，ZnO加入量为5t/h。在此工艺条件下除铁4h，反应结束后对除铁后液和除铁渣进行分析，得到除铁后液Fe²⁺4.74g/L，Zn²⁺154g/L，Mn²⁺3.15g/L，Mg²⁺0.92g/L，Cd²⁺0.38g/L，Al³⁺0.03g/L；除铁渣含锌11.06％，除铁渣含铁28.07％。另外沉铁渣中未见明显针铁矿物相，以难以过滤的铁氧不定型物相为主。

Claims (3)

1.一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对针铁矿沉铁过程中与反应有关的参数进行求解，然后根据实际沉铁反应器结构建立仿真模型；

步骤2，基于仿真模型进行反应条件的边界设置，并对仿真模型进行网格划分；

步骤3，对反应过程基于步骤1和2设置的条件进行求解，输出计算结果；

步骤4，根据计算结果对沉铁反应器结构进行优化，并返回步骤2重新执行，直至得到最佳计算结果，从而得出针铁矿法沉铁最佳反应条件区间；

所述的步骤1中，对针铁矿沉铁过程中与反应有关的参数进行求解包括以下步骤：

（1）物理场模型的建立；

进入软件，选择新建“模型向导”，选择流体流动、化学物质传递和传热物理场，并选择研究为瞬态；

（2）模型的建立；

通过所用沉铁反应器真实尺寸设定模型整体尺寸，再根据实际尺寸分别添加设定气体导管、搅拌桨、进液管、出液管、进料管；根据搅拌桨大小设定旋转区域，并设定形成为装配体；

（3）材料参数的设定；

添加空材料和氧气材料，根据求解得出的粘度、密度对空材料进行赋值，从而将空材料定义为溶液；

对针铁矿沉铁过程的气体传质速率、Fe2+氧化速率和中和反应速率参数求解：

根据气体传质过程服从双膜理论来推导溶液中气体浓度和时间之间的微分方程，利用分光光度计测量不同时间下溶液中的气体浓度，再进行最小二乘法拟合，得出气体传质速率，其中KLO为氧气传质速率常数，PO2为氧气分压，HO2为亨利系数，cO2为溶液中氧气浓度，MO2为氧气摩尔质量，vg为气体流量，n为搅拌速率；

然后根据氧化反应原理推导Fe2+氧化过程动力学，结合气体传质速率方程，得出Fe2+和气体浓度与时间之间的微分方程，利用滴定和ICP结合的方法测量不同时间下溶液中Fe2+浓度，再进行最小二乘法拟合，得出Fe2+氧化速率方程其中cFe2+为溶液中Fe2+浓度，cO2为溶液中氧气浓度；

基于未反应收缩核模型推导中和反应过程动力学，得出中和剂浓度与时间之间的微分方程，通过滴定和ICP结合的方法测量不同时间下溶液中中和剂浓度，再进行最小二乘法拟合，得出中和反应速率方程其中cH+为溶液中H+浓度；

对针铁矿沉铁过程的含铁溶液密度、粘度、表面张力和导热系数溶液性质参数求解：

溶液密度、粘度、表面张力和导热系数分别利用密度仪、乌式粘度仪、表面张力仪和导热系数仪通过控制变量法进行测量，通过测量不同Fe2+浓度、Zn2+浓度和温度溶液的密度、粘度、表面张力和导热系数得到测量结果，再利用最小二乘法拟合处理，得到溶液密度、粘度、表面张力和导热系数各自与Fe2+浓度、Zn2+浓度和温度之间的关系表达式；

所述的步骤2包括以下过程：对所建立仿真模型以实际生产所用进气流量、进液流量、投料量、搅拌速率和加热介质流量参数为基准，以±20％为范围，作为边界条件；然后基于当前仿真过程对于精度的要求进行网格划分；

所述的步骤3包括以下过程：对流场、化学传质场、温度场耦合模拟沉铁过程通过瞬态非线性求解器求解偏微分方程；并输出针铁矿沉铁反应器内不同区域、不同时间下的溶液流速、温度、密度、粘度、压力以及Fe2+浓度和pH的变化范围作为计算结果；

所述的步骤4中，根据计算结果对沉铁反应器结构进行优化，是通过改变沉铁反应槽槽型、搅拌器类型以及槽内挡板控制溶液流出方式，并根据改变后的计算结果是否提高来进行的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤4中，针铁矿法沉铁最佳反应条件区间为75℃-80℃、进液流速为100m3/h～300m3/h、pH值为3.5～4.0、氧气流量为100m3/h～400m3/h、搅拌速度为48rpm～136rpm和反应时间为4000s～6000s。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行模拟仿真时，是采用有限元多物理场模拟仿真软件实现，其中有限元多物理场模拟仿真软件为ANSYS，ADINA，ABAQUS，MSC和COMSOL Multiphysics中的一种。