純堿生產碳化工藝過程建模與優化控制

張振新

(廣東南方堿業股份有限公司,廣東 廣州 510760)

技術討論

純堿生產碳化工藝過程建模與優化控制

張振新

(廣東南方堿業股份有限公司,廣東 廣州 510760)

介紹了純堿生產中碳化工藝過程的建模與優化控制,建立了碳化塔反應器的數學模型,并提出了優化控制策略。

DCS;純堿生產過程;建模與優化控制

我公司為了實現信息化促進現代化的要求,進一步提高生產效率,增加企業經濟效益,采用了全集成自動化系統。公司建立基于DCS的生產控制系統,并與企業管理信息網絡實現了集成,完成管控一體化及生產過程的遠程監控任務。運行幾年來,系統性能穩定,企業效益大大提高。在此基礎上進一步實施純堿生產碳化過程的優化控制系統。

1 純堿生產與碳化過程

純堿生產主要以食鹽和石灰石為原料,工藝流程見圖1。

圖1 氨堿法生產純堿工藝流程

氨鹽水的碳酸化(簡稱碳化)過程是純堿生產的中心環節,涉及氣、液、固三相4組分,碳化塔內同時進行著復雜的吸收、反應、傳熱和結晶成長等過程,其化學反應式為 :

我公司碳化塔的直徑達3.2m,物料處理量大,但固相易在塔內堆積,阻塞氣液流通,NaHCO3和NH4HCO3等在塔內及冷卻管外結垢,需定期清理,致使工藝過程呈周期性作業狀態,“制堿”與“清洗”作業交替進行。

在制堿或清洗狀態下,氣、液兩相連續流動,屬連續工況;但在“倒塔”過程中,氣、液兩相的物流均需更迭,又屬間歇工況。由于三相體系在塔內分布不均,流體力學條件復雜,呈嚴重非穩定性,而且固相易在塔內堆積,阻塞氣液流通;NaHCO3、NH4HCO3亦在冷卻管外晶析、結疤。固體結晶是個漸變的相對瞬態過程,晶核生成階段會有“雪崩”現象,具有嚴重的非線性和時變性。不僅如此,由于采取多塔一組的運行方式,各塔物料在流量關系上互相藕合,內外干擾嚴重,靜態、動態特性不穩,控制參數隨時間的推移而變化。因此,碳化塔不能被看作為集中參數的全混流型反應器,而是一個多物相、多變量、多干擾、多不確定因素,具有嚴重非線形、時變性,既連續又間歇的分布參數受控對象。

2 實際控制情況

根據工藝可采用兩個階段的實施方案:第一階段用集散控制系統代替常規儀表進行生產過程的控制與管理;第二階段用上位機實現優化控制。

我公司有10座碳化塔,操作控制原來均采用單回路、串級以及比值調節,屬常規控制,如塔溫的調節就是一個典型的串級調節回路。以中溫的調節作為串級調節的主回路,以中段氣進氣量的調節作為串級調節的副回路,確定25圈溫度作為回路的主被調參數,以中段氣流量作為控制回路的副調節參數,串級調節系統見圖2。

圖2 串級調節系統

碳化過程中常規控制存在的問題如下:

1)在串級調節回路中,由于主調節器按主參數的測量值與給定值SP的偏差而動作,而主參數的SP值是一個定值,它不能準確地反映隨時間變化的生產工況,控制不準確。

2)調節通道響應時間長、滯后大。副調節器的給定值由主調節器的輸出所決定,并按副調節參數與主調節器輸出的偏差而動作,不能有效地消除時間滯后以及系統本身固有的純滯后。

3)對多種具有時變性、非線性的不確定因素的干擾不能有效地排除。

4)控制不穩,生產波動較大。

3 碳化反應機理與動力學

一般認為,碳酸化反應遵循以下連串的可逆反應路徑

比較(1)～(3)各步反應的速率可知,吸收反應(1)屬快速反應,主要發生在液膜之內:而水解與結晶反應(2)、(3)屬慢反應,反應場所在液相本體。這樣,CO2與NH3在液膜內反應生成中間產物氨基甲酸銨,后者再從膜內擴散到液相本體,進一步進行水解與結晶。膜內的吸收與本體的反應構成一互相耦合的連串過程。在碳化初期,中間產物少,膜內反應(1)是CO2吸收的控制步驟,此時增加氣液接觸面積和傳質系數有利于CO2的吸收;隨著碳化度的增加,液相本體的NH2COO-逐漸積累并達到最大值,反應(1)中的逆反應開始起重要作用并影響膜內的吸收速率;高碳化度時,膜內的正、逆反應速率大體接近,總的吸收速率由本體內的NH2COO-水解速率決定,同時,隨著 HCO-3濃度的增大和游離氨的消耗,化學吸收的作用逐漸減弱并最終讓位于物理吸收。從化學反應工程的角度分析,液膜傳質與本體反應的匹配、反應與傳熱的匹配,是各類碳化塔設計的基本原則。

4 碳化塔反應器的數學模型

由于碳化過程涉及液膜、液相本體和碳化塔3個尺度上的傳質、傳熱和化學反應,建模時需分別考慮,綜合描述。對于液膜中發生的化學反應,只需考慮快反應(1)而忽略其它慢反應;而對于液相本體,則反應(2)、(3)為過程的速率控制步驟,其余快速反應均可考慮為瞬時平衡過程。根據問題的特點,我們將碳化塔模型劃分為膜內的CO2吸收模型、液相本體模型和全塔模型,簡要說明。

4.1 膜內的CO 2吸收模型

描述液膜內各組分的擴散與反應過程,由一組非線性微分方程給出,本體液相濃度作為其邊界條件。求解該方程,可得CO2的吸收速率,然后將其與液相本體模型聯立,進一步確定本體各組分濃度和溫度。

4.2 液相本體模型

描述塔板上液相本體的流動、傳熱、傳質、結晶與多種化學反應,由塔板上各組分的質量守恒方程、熱量衡算方程、晶體粒數衡算方程、電中性方程、壓力平衡方程以及水相體積變化方程等組成,據此可確定出塔板上氣相各組分的吸收與揮發速率,液相組分的濃度、溫度、過飽和度、晶體粒度及分布等30多種物理量。

4.3 全塔模型

設每塊塔板上氣——液均達到理想混合,塔板間不存在液體的返混,然后將各塔板串聯,方程聯立,并給出有關的模型參數.就組成了碳化塔的完整數學模型。模型中涉及的各類參數與基礎數據如下:

反應速率常數;

化學平衡和相平衡常數以及組分的活度系數;

反應熱和傳熱物性參數;

氣液傳質系數;

塔結構參數和操作條件。

膜內的微分方程可采用有限元正交配置法求解;對于本體方程,采用改進的牛頓——拉夫森方法與膜內方程一道聯立求解;對于全塔模型,則采用試差法逐板迭代求解。

4.4 碳化塔建模過程

1)首先對碳化塔建立機理動態模型,根據碳化物料衡算及熱量衡算,獲得塔內中上部溫度、結晶臨界溫度、NaCl轉化率、出堿溫度等響應曲線。

2)應用仿真技術,找出影響臨界點溫度的多種干擾因素,臨界點的漂移會影響NaHCO3結晶制堿周期。為此,碳化過程保持衡穩是優化操作與控制目標的首要任務。

3)應用模式識別方法獲得碳化塔的狀態特征,并以塔內中上部溫度為主要狀態變量,進行操作控制,找出結晶質量與塔內溫度分布之間的關系。

4)建立碳化塔動態數學模型。通過對碳化塔機理動態模型的分析,并應用仿真技術和模式識別等方法,從熱平衡方程出發,建立碳化塔特征(溫度分布)的動態數學模型。

經推導,該系統的離散狀態方程式表示為 :

式中:X(K)——實現采樣時刻的溫度變化向量;

X(K+1)——后一時間的溫度變化向量;

U(K)——被控作用項,實際上為確保反應溫度的中、下段氣進入量和出堿液流量的集合;

&——干擾項;

A——a0+a1z+a2z+ΛΛanz;

B——1+b0+b1z+b2z+ΛΛbmz。

模型運行時,首先要估算出 a0,a1,a2,…,an和b0,b1,b2,…,bm,然后根據每次采樣的結果,通過過程識別,得到新的A、B值。模型在運行過程中,通過當時X(K)和作用項U(K),確定 K+1采樣時刻的 X(K+1),與 X(K)相比有差異,則需改變U(K)值,即改變中、下段氣進入量和出堿液流量的給定值。

U(K)值由上位機給定,并通過CHZP程序包, IFC綜合功能控制器分別寫入下位機中 F1C111、F1C112、F1C113控制回路的給定值,達到碳化塔過程的衡穩優化控制。見圖3。

圖3 控制系統示意圖

綜上所述,完成了純堿生產碳化工藝過程建模與優化控制理論設計后,就可以分析計算模型驗證與優化,搭建純堿生產碳化過程的控制系統。

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TP273.5;TQ114.161

B

1005-8370(2011)04-08-03

2011-05-22

廣東南方堿業股份有限公司計量控制部副經理,儀表自動化工程師。