氧化铝蒸发的动态过程建模与仿真.pdf

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1、第3期聂晓凯等．氧化铝蒸发的动态过程建模与仿真279氧化铝蒸发的动态过程建模与仿真聂晓凯阳春华柴琴琴桂卫华(中南大学信息科学与工程学院，长沙410083)摘要基于物料平衡原理和热量平衡原理，分析蒸发器出口料液浓度与进口料液和蒸汽之间的动态变化。建立了四效逆流降膜蒸发加三级闪蒸的氧化铝蒸发过程时滞动态数学模型和蒸发单元状态空间模型。通过模型计算和仿真验证了模型的有效性。与氧化铝蒸发过程实际测量值相比较，证明了模型能够很好地反映氧化铝蒸发的动态生产过程，为优化控制系统设计奠定了基础。关键词氧化铝蒸发过程建模动态仿真中图分类号TP273文献标识码A文章编号1000-3932(2011)03-

2、0279-05蒸发是氧化铝生产过程的重要环节之一，利用蒸发器等换热设备将高温高压蒸汽的热量传递给物料(工业铝酸钠溶液)，排除物料中多余的水分，以保持氧化铝生产过程中碱平衡。目前在实际生产过程中，氧化铝蒸发过程的操作参数均需要凭经验到现场进行人工手动调节，而受到原液、新蒸汽和二次蒸汽等工艺参数波动的影响，工况很难保持稳定。由于工业生产过程中物料的强碱性及高粘度易造成出料管堵塞，使得在线仪表检测不准，影响工业过程的控制调节。而现场取样化验分析的滞后会造成过程操作调节滞后，使得蒸汽消耗量增加。因此，实现氧化铝蒸发过程的自动控制，优化关键工艺参数，成为亟待解决的问题。而对氧化铝蒸发过程进行数学

3、描述，是实现过程优化控制的关键，是保证产品质量、降低能耗的前提。目前已有一些研究者对多效蒸发系统的模拟进行了研究，如田荣海等¨。建立了硫氰酸钠溶液五效并流蒸发的软测量模型；文献[2，3]分别针对带冷凝水闪蒸的复杂并流和逆流多效蒸发系统建立了数学模型，但流程中没有物料闪蒸单元；文献[4]应用等温差分配法和等面积分配法对竖管降膜多效蒸发海水淡化系统进行了模拟，并考虑了海水沸点升高的影响；文献[5]建立了氧化铝四效蒸发过程的数学模型，得到母液出口浓度和总蒸水量。目前多效蒸发过程建立的模型主要是静态模型，对动态过程建模的研究不够深入，而尤其针对大规模复杂系统，动态过程模型能够更好地应用于优化控

4、制系统的设计；文献[6]建立了牛奶单效降膜蒸发系统动态过程模型并验证了其在控制系统设计中的应用。笔者基于物料平衡和热量平衡，建立氧化铝蒸发过程的时滞动态数学模型，通过数值计算和仿真，并与实测数据进行比较，验证了模型对反映氧化铝蒸发动态运行过程的可行性。1氧化铝蒸发过程的工艺流程分析以氧化铝四效逆流降膜蒸发加三级闪蒸工艺为研究对象，其工艺流程如图1所示。原料(蒸发母液)由进料泵分别打入Ⅲ效和Ⅳ效蒸发器，Ⅳ效蒸发器出口料液经过料泵进入Ⅲ效预热器，被加热接近沸点温度后进入Ⅲ效蒸发器，类似地依次进入Ⅱ效和I效蒸发器，从I效出来的料液靠压差依次进入1。、2’和3。闪蒸器后经出料泵排出。新蒸汽首先

5、进入I效蒸发器，各效产生的乏汽分别进入到下一效蒸发器，1‘、2’和3’闪蒸器产生的乏汽分别进入I、Ⅱ和Ⅲ效蒸发器，冷凝水罐自蒸发产生的乏汽进入蒸发器以供利用。经分析，蒸发过程出料浓度与新蒸汽压力和流量，原料温度、流量和浓度，出口冷凝水温度及出口二次蒸汽压力有关，末效真空度以及不饱和新蒸汽也会对出料浓度造成影响。根据工艺特点，本文在建模时作如下条件设定：a．所有的气相空间均为饱和蒸汽；b．预热器作为完全的气体冷凝器用，无蒸汽输出；收稿日期：2010—12-03(修改稿)基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目(61025015)、国家自然科学基金资助项目(60874069)、国家“863”

6、计划项目(2009AA042124)280化工自动化及仪表第38卷广一一一一一一一一一————◆物料一一◆新蒸汽⋯—◆乏汽⋯⋯-◆冷凝水图l氧化铝蒸发过程的工艺流程c．平衡计算方程中不考虑结晶引起的物料质量变化，且溶质不挥发；d．蒸发过程中的传热系数和热损失为恒定的。2氧化铝蒸发过程的动态建模2．1系统物料平衡为了简化模型计算，建模中将预热器、冷凝水罐和蒸发器作为整体蒸发单元。基于物料平衡原理，第i效蒸发单元的物料平衡方程为：—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效蒸发单元

7、的进料量；，。．『_一第i效蒸发单元的出料量；K——第i效蒸发器出口乏汽量；E——第i级闪蒸器进第i效蒸发器乏汽量，E=0；M。——液室料液量。对于Ⅲ效蒸发单元，进料量为进Ⅲ效原料与Ⅳ效出料之和，即：F毗，=F0ut．4+Fked3(2)Fi。．4=Fk。d—Fb。d3(3)同时，第．『级闪蒸器的物料平衡方程为：警哦a-F_厂哆忙”'3)(4)式中F0、F：叱』——第_『级闪蒸器的进料量和出料量；晖——出口乏汽量。蒸发单元进口料液中的全碱(Na