氧化鋁蒸發(fā)的動態(tài)過程建模與仿真.pdf

《氧化鋁蒸發(fā)的動態(tài)過程建模與仿真.pdf》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、第3期聶曉凱等．氧化鋁蒸發(fā)的動態(tài)過程建模與仿真279氧化鋁蒸發(fā)的動態(tài)過程建模與仿真聶曉凱陽春華柴琴琴桂衛(wèi)華(中南大學信息科學與工程學院，長沙410083)摘要基于物料平衡原理和熱量平衡原理，分析蒸發(fā)器出口料液濃度與進口料液和蒸汽之間的動態(tài)變化。建立了四效逆流降膜蒸發(fā)加三級閃蒸的氧化鋁蒸發(fā)過程時滯動態(tài)數(shù)學模型和蒸發(fā)單元狀態(tài)空間模型。通過模型計算和仿真驗證了模型的有效性。與氧化鋁蒸發(fā)過程實際測量值相比較，證明了模型能夠很好地反映氧化鋁蒸發(fā)的動態(tài)生產(chǎn)過程，為優(yōu)化控制系統(tǒng)設計奠定了基礎。關鍵詞氧化鋁蒸發(fā)過程建模動態(tài)仿真中圖分類號TP273文獻標識碼A文章編號1000-3932(2011)03-

2、0279-05蒸發(fā)是氧化鋁生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)之一，利用蒸發(fā)器等換熱設備將高溫高壓蒸汽的熱量傳遞給物料(工業(yè)鋁酸鈉溶液)，排除物料中多余的水分，以保持氧化鋁生產(chǎn)過程中堿平衡。目前在實際生產(chǎn)過程中，氧化鋁蒸發(fā)過程的操作參數(shù)均需要憑經(jīng)驗到現(xiàn)場進行人工手動調(diào)節(jié)，而受到原液、新蒸汽和二次蒸汽等工藝參數(shù)波動的影響，工況很難保持穩(wěn)定。由于工業(yè)生產(chǎn)過程中物料的強堿性及高粘度易造成出料管堵塞，使得在線儀表檢測不準，影響工業(yè)過程的控制調(diào)節(jié)。而現(xiàn)場取樣化驗分析的滯后會造成過程操作調(diào)節(jié)滯后，使得蒸汽消耗量增加。因此，實現(xiàn)氧化鋁蒸發(fā)過程的自動控制，優(yōu)化關鍵工藝參數(shù)，成為亟待解決的問題。而對氧化鋁蒸發(fā)過程進行數(shù)學

3、描述，是實現(xiàn)過程優(yōu)化控制的關鍵，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗的前提。目前已有一些研究者對多效蒸發(fā)系統(tǒng)的模擬進行了研究，如田榮海等¨。建立了硫氰酸鈉溶液五效并流蒸發(fā)的軟測量模型；文獻[2，3]分別針對帶冷凝水閃蒸的復雜并流和逆流多效蒸發(fā)系統(tǒng)建立了數(shù)學模型，但流程中沒有物料閃蒸單元；文獻[4]應用等溫差分配法和等面積分配法對豎管降膜多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)進行了模擬，并考慮了海水沸點升高的影響；文獻[5]建立了氧化鋁四效蒸發(fā)過程的數(shù)學模型，得到母液出口濃度和總蒸水量。目前多效蒸發(fā)過程建立的模型主要是靜態(tài)模型，對動態(tài)過程建模的研究不夠深入，而尤其針對大規(guī)模復雜系統(tǒng)，動態(tài)過程模型能夠更好地應用于優(yōu)化控

4、制系統(tǒng)的設計；文獻[6]建立了牛奶單效降膜蒸發(fā)系統(tǒng)動態(tài)過程模型并驗證了其在控制系統(tǒng)設計中的應用。筆者基于物料平衡和熱量平衡，建立氧化鋁蒸發(fā)過程的時滯動態(tài)數(shù)學模型，通過數(shù)值計算和仿真，并與實測數(shù)據(jù)進行比較，驗證了模型對反映氧化鋁蒸發(fā)動態(tài)運行過程的可行性。1氧化鋁蒸發(fā)過程的工藝流程分析以氧化鋁四效逆流降膜蒸發(fā)加三級閃蒸工藝為研究對象，其工藝流程如圖1所示。原料(蒸發(fā)母液)由進料泵分別打入Ⅲ效和Ⅳ效蒸發(fā)器，Ⅳ效蒸發(fā)器出口料液經(jīng)過料泵進入Ⅲ效預熱器，被加熱接近沸點溫度后進入Ⅲ效蒸發(fā)器，類似地依次進入Ⅱ效和I效蒸發(fā)器，從I效出來的料液靠壓差依次進入1。、2’和3。閃蒸器后經(jīng)出料泵排出。新蒸汽首先

5、進入I效蒸發(fā)器，各效產(chǎn)生的乏汽分別進入到下一效蒸發(fā)器，1‘、2’和3’閃蒸器產(chǎn)生的乏汽分別進入I、Ⅱ和Ⅲ效蒸發(fā)器，冷凝水罐自蒸發(fā)產(chǎn)生的乏汽進入蒸發(fā)器以供利用。經(jīng)分析，蒸發(fā)過程出料濃度與新蒸汽壓力和流量，原料溫度、流量和濃度，出口冷凝水溫度及出口二次蒸汽壓力有關，末效真空度以及不飽和新蒸汽也會對出料濃度造成影響。根據(jù)工藝特點，本文在建模時作如下條件設定：a．所有的氣相空間均為飽和蒸汽；b．預熱器作為完全的氣體冷凝器用，無蒸汽輸出；收稿日期：2010—12-03(修改稿)基金項目：國家杰出青年科學基金資助項目(61025015)、國家自然科學基金資助項目(60874069)、國家“863”

6、計劃項目(2009AA042124)280化工自動化及儀表第38卷廣一一一一一一一一一————◆物料一一◆新蒸汽?—◆乏汽??-◆冷凝水圖l氧化鋁蒸發(fā)過程的工藝流程c．平衡計算方程中不考慮結(jié)晶引起的物料質(zhì)量變化，且溶質(zhì)不揮發(fā)；d．蒸發(fā)過程中的傳熱系數(shù)和熱損失為恒定的。2氧化鋁蒸發(fā)過程的動態(tài)建模2．1系統(tǒng)物料平衡為了簡化模型計算，建模中將預熱器、冷凝水罐和蒸發(fā)器作為整體蒸發(fā)單元?；谖锪掀胶庠?，第i效蒸發(fā)單元的物料平衡方程為：—dM—i：F-n．i+E—F。。．f—ViA(：，，，4)；(1)——t=F-n．i+E—F。吡．f一(i=1，2，3，4)；(1)式中，沁；——第i效蒸發(fā)單元

7、的進料量；，。．『_一第i效蒸發(fā)單元的出料量；K——第i效蒸發(fā)器出口乏汽量；E——第i級閃蒸器進第i效蒸發(fā)器乏汽量，E=0；M?！菏伊弦毫?。對于Ⅲ效蒸發(fā)單元，進料量為進Ⅲ效原料與Ⅳ效出料之和，即：F毗，=F0ut．4+Fked3(2)Fi。．4=Fk。d—Fb。d3(3)同時，第．『級閃蒸器的物料平衡方程為：警哦a-F_廠哆忙”'3)(4)式中F0、F：叱』——第_『級閃蒸器的進料量和出料量；暉——出口乏汽量。蒸發(fā)單元進口料液中的全堿(Na