基于Matlab的氨法脫硫過程的動態(tài)建模與仿真

李嘉輝,謝傳欣

(青島科技大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,山東 青島 264000)

安乃近是以吡唑酮作為原材料進行生產(chǎn)的,其生產(chǎn)過程涉及到多次還原反應(yīng)[1],還原反應(yīng)所需的還原劑主要由亞硫酸銨與亞硫酸氫銨按照一定比例混合而成,工業(yè)上可以使用氨水吸收二氧化硫的方式獲得。某廠的還原劑配比過程如下:準備好5 m3的儲罐并將儲罐內(nèi)充滿氮氣,從儲罐底部通入3 m330%的氨水,關(guān)閉氨水閥,從儲罐底部通入過量的二氧化硫,在一段時間后再從管頂往儲罐中通入氨水,同時操作人員定時從儲罐內(nèi)抽取少量吸收液進行檢測并記錄數(shù)據(jù),然后根據(jù)檢測結(jié)果決定是否繼續(xù)通入二氧化硫或者氨水,直至還原劑組成成分達到要求。

還原劑本身工人不大量接觸的話不會有太大危險性,但其配比過程中會涉及二氧化硫與氨水(表1),如果意外泄漏容易對附近的操作人員造成危害[2]。因此若將人工生產(chǎn)改進為自動化生產(chǎn)-工人監(jiān)督的方式,則可以在保證工人安全的同時提高生產(chǎn)精度。

表1 危險化學(xué)品名錄

1 氨法脫硫吸收模型建立與辨識

1.1 氣液傳質(zhì)設(shè)備

氣液傳質(zhì)設(shè)備(Gas-liquid Mass Transfer Equipmeru),又稱氣液接觸設(shè)備,其主要作用是形成氣液兩相充分接觸的界面,使質(zhì)、熱能夠有效地進行傳遞,接觸混合后的氣、液兩相能及時分開。

吸收設(shè)備主要分為兩類:連續(xù)接觸式(填料塔)和逐級接觸式(板式塔)。填料塔是在圓柱形殼體內(nèi)裝填一定高度的填料,吸收液從頂部噴淋在填料上并依靠自身重力下流,最后到達塔底排出,氣體則在壓強的影響下,從吸收塔底部進入,從塔頂排出,填料主要用于增加氣液的接觸面積,以增加傳質(zhì)效果;板式塔則是在圓柱形殼體內(nèi)按照一定的距離設(shè)置若干塔板,液體依舊是從塔上方通入并依靠自身重力下流,氣體則從底部進入從塔頂排出,由于板式塔屬于逐級接觸,所以氣液兩相的組成會有階躍性的變化。

填料塔與板式塔的優(yōu)缺點如下:

1)由于填料塔的壓力降小于板式塔,因此真空操作時使用填料塔有利;

2)對于容易起泡的液體,使用填料塔為宜;

3)由于填料塔可以根據(jù)不同的使用環(huán)境選擇填料,因此在面對有腐蝕性的場合時填料塔更有優(yōu)勢;

4)填料塔由于持液量較少,因此可以處理對熱敏感和遇熱可能產(chǎn)生不利副反應(yīng)的物料;

5)在其他條件相同時,填料塔需要的投資更少;

6)由于板式塔可以加大板之間的間距增加人孔,因此在面對有沉淀的反應(yīng)時板式塔更為合適;

7)按照生產(chǎn)能力設(shè)計出來的板式塔和填料塔,填料塔的質(zhì)量會更重,同時填料塔底部設(shè)計和底部填料的抗壓要求會高得多;

8)在溫度不穩(wěn)定的情況下,板式塔更適宜;

9)板式塔可以處理的流量比填料塔大。

1.2 氣體吸收原理

在一般情況下,若氣液兩相內(nèi)存在濃度梯度,則必然存在分子擴散,物質(zhì)會隨著流動從一處向另一處傳遞,傳遞過程是分子擴散與渦流擴散的綜合。因此想完全按照實際情況模擬氣體的吸收過程是很困難的,Lewis與Whitman在1920年左右提出了被大眾學(xué)者最廣為接受的雙膜理論假設(shè),其基本觀點有:

1)相互接觸的氣液兩相流體間存在著穩(wěn)定的相界面,界面兩側(cè)都有一層層流膜,溶質(zhì)A以分子擴散的方式通過兩層膜,由氣相進入液相;

2)在相界面處,氣液兩相互成平衡;

3)在膜層以外的主體內(nèi),由于充分的湍流,溶質(zhì)的濃度基本上是均勻的。

雙膜吸收示意圖見圖1,其中PA與PA,i分別表示氣相主體與氣液界面處氣相的分壓,CA與CA,i分別表示組分在液相主體與界面上的濃度。這樣氣體的吸收就可以簡化為氣液雙膜的分子擴散,這兩層膜構(gòu)成了吸收過程的主要阻力源,即吸收過程的總阻力為氣膜阻力與液膜阻力之和,其表達式為:

圖1 雙膜吸收示意圖

其中:KY為氣相傳質(zhì)總系數(shù),[kmol/(m2·s·kPa)];ky為氣膜傳質(zhì)系數(shù),[kmol/(m2·s·kPa)];kx為液膜傳質(zhì)系數(shù),m/s。

1.3 化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)動力學(xué)

還原劑配比過程本質(zhì)上為“氨法脫硫”。“氨法脫硫”是濕法脫硫中的一種,通過氨水吸收二氧化硫,具有反應(yīng)迅速、脫硫效率高、氨水利用率高、費用低等特點[3],吸收后的溶液中主要含有亞硫酸銨與亞硫酸氫銨,亦可作為化肥使用。“氨法脫硫”是典型的氣-液反應(yīng),將二氧化硫通入氨水后主要發(fā)生以下反應(yīng)[4]:

SO2+2NH3+H2O?(NH4)2SO3

(1)

SO2+NH3+H2O?NH4HSO3

(2)

(NH4)2SO3+SO2+H2O?2NH4HSO3

(3)

NH4HSO3+NH3?(NH4)2SO3

(4)

當溶液中氨的含量較少時主要發(fā)生(2)反應(yīng),當氨的含量較高時則主要發(fā)生(1)反應(yīng),由于氨的吸收能力不如亞硫酸銨,因此,承擔主要吸收任務(wù)的是(3)反應(yīng)[5],由于NH4HSO3不具有吸收二氧化硫的能力,因此隨著吸收二氧化硫量的增加吸收液的吸收能力也逐漸下降,若補充NH3則會發(fā)生(4)反應(yīng),生成的亞硫酸銨繼續(xù)參與二氧化硫的吸收。

1.4 影響脫硫系統(tǒng)的因素

影響脫硫系統(tǒng)的因素主要有以下幾點[6]:

重構(gòu)編輯出版學(xué)學(xué)科體系是一項復(fù)雜的、動態(tài)的系統(tǒng)工程。新體系和新秩序的建立，是一個歷史節(jié)點性工作，更是一項具有時代起點意義的工作。這一工作不是一個人、幾個人和一個團隊能夠勝任完成的，必須集整個學(xué)科的學(xué)術(shù)共同體之全力。我們對學(xué)科的構(gòu)建原則和構(gòu)建思路首先應(yīng)該做出基本的認知和判斷。

1.4.1 氣液比L/G

氣液比指進入脫硫系統(tǒng)的吸收液的量與單位時間內(nèi)進入脫硫系統(tǒng)的標準狀態(tài)煙氣體積流量之比,有實驗表明,脫硫系統(tǒng)的脫硫效率會隨著氣液比的增大而增加。

1.4.2 吸收液pH值

吸收液pH值的大小表示其酸堿度的大小,pH值較大說明溶液中含有的OH-離子濃度更高,當吸收液pH值>7時,吸收液呈堿性。以氨水為例,當氨水中氨的含量升高,溶液的pH值就會越大。實驗表明吸收液pH值越高,則對二氧化硫的吸收效果越好[7],但當吸收液濃度太高時往往會抑制吸收效率的提高速度。

1.4.3 被吸收氣體濃度

一般情況下氣體濃度指某種氣體在混合氣體中所占的體積分數(shù)。根據(jù)氨法脫硫的反應(yīng)原理,二氧化硫的吸收過程是可逆反應(yīng),氣體濃度的增加會減少傳質(zhì)阻力加快吸收速度,但當溶液中吸收了大量的二氧化硫時溶液中會生成更多亞硫酸氫銨,同時吸收液的pH值也會下降,因而阻礙二氧化硫的吸收。

1.4.4 被吸收氣體流量

理論上被吸收氣體流量加快可以阻礙吸收液的下降速度,延長和擴大氣體與吸收液的接觸時間和面積,但在實際過程中,由于吸收設(shè)備體積有限,過高的流量會減少氣體與吸收液的接觸時間降低脫硫效率。

1.4.5 溫度

1.5 脫硫系統(tǒng)的過程分析

1.5.1 脫硫系統(tǒng)過程控制分析

一般在濕法脫硫系統(tǒng)中,脫硫裝置的控制回路主要有以下幾種[8]:

1)吸收塔內(nèi)脫硫效率控制。根據(jù)氣息流量來調(diào)節(jié)液泵,使得氣液比達到最佳值,讓氣體中的二氧化硫與氨水分解出以提高二氧化硫的吸收率。主要的擾動量有氣體流量、氣體中二氧化硫濃度、吸收液流量以及吸收液中氨的濃度。

2)吸收塔內(nèi)pH值控制。調(diào)節(jié)液泵控制吸收液的流量,調(diào)節(jié)氣泵調(diào)整氣體流量,通過內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來調(diào)節(jié)吸收塔內(nèi)吸收液,讓吸收液達到最好吸收效果的pH值。pH值控制的主要擾動量有氣體流量、氣體中二氧化硫濃度、吸收液流量與吸收液中氨的濃度。

3)吸收塔內(nèi)儲液量控制。通過控制液泵或閥門調(diào)整吸收塔內(nèi)吸收液的持有量,進而改變塔內(nèi)的氣液比,主要擾動量有氣體流量、吸收液流量、閥口開度等。

1.5.2 脫硫系統(tǒng)的參數(shù)分析

使用氨水吸收二氧化硫后,溶液里主要成分是亞硫酸銨與亞硫酸氫銨,生產(chǎn)對還原劑中的亞硫酸銨與亞硫酸氫銨比值有較高的要求。現(xiàn)場的生產(chǎn)過程主要如下:先往事先準備好的儲罐中通入一半的氨水,再從儲罐底部通入過量的二氧化硫,由工人按經(jīng)驗判斷通入的實際用量,最終吸收液呈酸性,隨后工人繼續(xù)往儲罐內(nèi)通入氨水,從此時開始每隔一段時間抽取少量的吸收液進行檢測,檢測方式為滴定法,記錄pH值。現(xiàn)場采集的部分數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 pH值與溶液組分比值關(guān)系圖

通過數(shù)據(jù)圖可以看出,當吸收液中亞硫酸銨與亞硫酸氫銨的比值符合要求時,吸收液的pH值主要在6.2～6.4,因此在以上控制系統(tǒng)中,通過調(diào)節(jié)吸收液或者氣體的流量,利用反應(yīng)過程調(diào)節(jié)吸收液中的pH值,讓pH值保持在最合適的范圍內(nèi),此時吸收液中亞硫酸銨與亞硫酸氫銨的比值基本上可以符合產(chǎn)品需求。

一般情況下,影響pH值的控制因素有進氣量、被吸收氣體成分比例、吸收液的流量與pH值等。由于現(xiàn)場生產(chǎn)過程中處于半封閉狀態(tài),因此假定氨水不會揮發(fā),即吸收液中氨水的濃度是固定的,同時選擇pH值作為被控參數(shù),被吸收氣體與吸收液的流量作為調(diào)節(jié)參數(shù),氣體中二氧化硫的濃度作為干擾對象。

1.5.3 脫硫系統(tǒng)的特征分析

為了保證吸收液中組分比例符合要求,pH值必須要控制在一定范圍內(nèi),被控對象主要有以下幾個特征:

1)因為較大的吸收塔中持液量很大,所以當氣體流量改變時,吸收液中pH值不會快速反應(yīng),導(dǎo)致氣體流量的變化不能根據(jù)pH值的要求快速進行響應(yīng),即pH值控制有較大的慣性特征;

2)一般情況下pH值檢測會集中在吸收液進入口與吸收液出口,同時pH傳感器與處理器會存在一定時間的通訊時間差,使得最終的控制過程出現(xiàn)延遲,即pH值控制過程有一定的純延遲特征;

3)由于化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的pH值變化過程,其本身就有非線性的特點,如圖3所示,pH值在兩頭變化較為緩慢,但7附近時pH值的變化非常迅速。

圖3 酸堿中和滴定曲線

1.6 氨法脫硫系統(tǒng)pH值控制方案

現(xiàn)階段常用的pH值的控制方案主要有兩種[9-10]:

1)吸收塔pH值單回路前饋反饋復(fù)合控制,如圖4所示。

圖4 前饋反饋控制圖

基本原理為:控制器先將從塔底吸收液采集中的pH值與設(shè)定值進行比較,隨后前饋控制器將氣體的流量和二氧化硫占比等干擾因素一起導(dǎo)入控制器,控制器經(jīng)過計算來控制氨水閥門等執(zhí)行器,最終使得塔底的吸收液維持在特定范圍內(nèi)。

2)吸收塔pH值串級前饋反饋符合控制,如圖5所示。

圖5 串級前饋反饋控制圖

由于吸收塔反應(yīng)過程較慢,吸收液中pH值并不能及時地隨氣體流量的變化而變化,同時由于1)中的前饋控制器是開環(huán)的,因此需要增加一個流量控制環(huán)形成一個負反饋防止pH值發(fā)生過調(diào)。

如圖5所示,主控制器依舊是接受pH的測量信號,副控制器則是用來測量吸收液流量的,主控制器的輸出作為副控制器的輸入,副控制器將輸入作為設(shè)定值與測量的吸收液流量進行比較,同時二氧化硫的干擾量會與副控制器的輸出疊加來控制吸收液閥門的開度。

3)串級比值前饋控制系統(tǒng),如圖6所示。

圖6 串級比值前饋反饋控制圖

以上兩種控制方案的主要目的是保持吸收液的pH值從而保證脫硫效率,顯然和本文的控制目標不完全符合,因此,在第二種控制方案的基礎(chǔ)上進行改進,改進的基本內(nèi)容為:增加比值控制器與方案二組成串級比值前饋反饋控制。

該控制系統(tǒng)的操作邏輯為:當氣體流量或吸收液流量發(fā)生擾動時,副控制器可以快速響應(yīng)通過,保持氣體和吸收液流量恒定的方式進行調(diào)節(jié),從而避免pH值出現(xiàn)較大偏差;當氣體中二氧化硫濃度發(fā)生波動也會導(dǎo)致pH值的變化,此時主控制器響應(yīng)改變副控制器的給定比值,副控制器將根據(jù)新的參數(shù)調(diào)節(jié)吸收液的流量。這種控制方式的主要優(yōu)勢是可以保證控制質(zhì)量,即吸收液中亞硫酸銨與亞硫酸氫銨的比值量。控制系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)示意圖

1.7 pH控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)

前人對于酸堿中和過程中pH建模的方式主要有三類[11-12]:一是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)機理及物料平衡關(guān)系建立pH變化的機理模型;二是按維納模型結(jié)構(gòu)辨識的黑箱建模方法;三是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)功能建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的方法。本文中選擇黑箱模型建模方法并借助Matalb計算動態(tài)傳遞函數(shù)。

在方案三中,由于pH檢測元件的檢測過程有延遲現(xiàn)象,因此等效為一個延遲環(huán)節(jié);管道可以等效為一個慣性環(huán)節(jié);直流電機-閥控-流量計系統(tǒng)可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)。因此pH控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行分析,在Matalb中啟動system identify,并導(dǎo)入數(shù)據(jù),就可以得到傳遞函數(shù)的數(shù)值。最終的傳遞函數(shù)為:

在Matlab中啟動Simulink導(dǎo)入仿真模塊,可以獲得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線,如圖8所示。

圖8 動態(tài)響應(yīng)曲線

2 結(jié)論

對氨法脫硫系統(tǒng)的反應(yīng)機理進行分析,闡述了影響系統(tǒng)脫硫效率的主要因素。探討了pH控制系統(tǒng)的動態(tài)特性,提出了改進的控制方案,并借助Matlab對采集的數(shù)據(jù)進行分析,得到了pH控制系統(tǒng)的動態(tài)傳遞函數(shù)。