纯碱生产碳化工艺过程建模与优化控制

纯碱生产碳化工艺过程建模与优化控制

发表时间：2018-11-16T20:37:34.333Z 来源：《基层建设》2018年第26期作者：何国庆

[导读] 摘要：纯碱Na2CO3是一种重要的基本化工原料。

内蒙古吉兰泰碱业有限公司内蒙古阿拉善盟 750333

摘要：纯碱Na2CO3是一种重要的基本化工原料。它也是一种传统的化学产品，经过多年的生产和使用。它在国民经济中有着巨大的需求。广泛应用于化工、医药、玻璃、冶金、造纸等行业。产业的发展直接关系到国民经济的发展和人民生活水平的提高。

关键词：碳酸生产；过程建模；优化控制；

碳酸化反应是纯碱生产的基本步骤，其机理比较复杂。碳酸化塔是整个纯碱生产的核心单元。有许多化学反应等过程传热、传质和结晶，以及存在的气体，液体和固体三相物质，并且每个塔分为两个清洗和碱，这是一个复杂的生产过程连续和间歇的特点。因为碳化是多塔并行操作，每个塔的材料流相互耦合的关系，内部和外部的干扰严重，静态和动态特性是复杂的，它有严重的非线性和时变，因此传统的控制不能达到理想的控制效果。

1.简要流程

氨碱法的主要生产流程，主要包括：化盐和盐水精制、氨盐水的制备、碳化和重碱过滤、重碱的煅烧、氨的回收以及石灰石的煅烧等。碳化过程是整个制碱生产的核心，其他生产过程均是围绕着碳化生产服务的。精氨盐水由泵送预碳化塔（清洗塔）上部，塔底通入石灰窑来的二氧化碳气（窑气）进行预碳化（清洗）。由于碳化塔制碱时间过长，易在塔壁及冷却水管上结碱疤，故需几塔一组轮流制碱、清洗。出清洗塔的碳化液用窑气气提送入制碱塔上部，来自煅烧炉浓度较高的二氧化碳气进入塔的下部，二氧化碳浓度较低的窑气进入塔的中部制碱，在制碱过程中有热量放出，但制碱需在一定的温度下进行并使析出的结晶颗粒增大，故在碳化塔下部设置冷却水箱进行冷却，生成的碳酸氢钠（重碱）结晶由塔底排出。

2.纯碱生产碳化工艺过程建模

2.1碳化塔反应器的数学模型

由于碳化过程涉及液膜、液相本体和碳化塔3个尺度上的传质、传热和化学反应，建模时需分别考虑，综合描述。对于液膜中发生的化学反应，只需考虑快反应而忽略其它慢反应；而对于液相本体，则反应为过程的速率控制步骤，其余快速反应均可考虑为瞬时平衡过程。根据问题的特点，我们将碳化塔模型划分为膜内的CO2 吸收模型、液相本体模型和全塔模型，简要说明。

2.2膜内的CO2 吸收模型

描述液膜内各组分的扩散与反应过程，由一组非线性微分方程给出，本体液相浓度作为其边界条件。求解该方程，可得CO2 的吸收速率，然后将其与液相本体模型联立，进一步确定本体各组分浓度和温度。

2.3液相本体模型

描述塔板上液相本体的流动、传热、传质、结晶与多种化学反应，由塔板上各组分的质量守恒方程、热量衡算方程、晶体粒数衡算方程、电中性方程、压力平衡方程以及水相体积变化方程等组成，据此可确定出塔板上气相各组分的吸收与挥发速率，液相组分的浓度、温度、过饱和度、晶体粒度及分布等30多种物理量。

2.4全塔模型

设每块塔板上气—液均达到理想混合，塔板间不存在液体的返混，然后将各塔板串联，方程联立，并给出有关的模型参数.就组成了碳化塔的完整数学模型。模型中涉及的各类参数与基础数据如下：反应速率常数；化学平衡和相平衡常数以及组分的活度系数；反应热和传热物性参数；气液传质系数；塔结构参数和操作条件。膜内的微分方程可采用有限元正交配置法求解；对于本体方程，采用改进的牛顿—拉夫森方法与膜内方程一道联立求解；对于全塔模型，则采用试差法逐板迭代求解。

2.5碳化塔建模过程

1）首先对碳化塔建立机理动态模型，根据碳化物料衡算及热量衡算，获得塔内中上部温度、结晶临界温度、NaCl 转化率、出碱温度等响应曲线。2）应用仿真技术，找出影响临界点温度的多种干扰因素，临界点的漂移会影响NaHCO3 结晶制碱周期。为此，碳化过程保持衡稳是优化操作与控制目标的首要任务。3）应用模式识别方法获得碳化塔的状态特征，并以塔内中上部温度为主要状态变量，进行操作控制，找出结晶质量与塔内温度分布之间的关系。4）建立碳化塔动态数学模型。通过对碳化塔机理动态模型的分析，并应用仿真技术和模式识别等方法，从热平衡方程出发，建立碳化塔特征（温度分布）的动态数学模型。完成了纯碱生产碳化工艺过程建模与优化控制理论设计后，就可以分析计算模型验证与优化，搭建纯碱生产碳化过程的控制系统。

3.优化控制

3.1模型预测控制策略

模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制、策略，其核心是：可预测过程未来行为的动态模型，在线反复优化计算并滚动实施的控制作用和对模型预测误差的反馈校正。纯碱装置碳化过程先进控制系统以提高碳化系统各制碱塔的平稳性、确保总出碱量和转化率作为系统的主要目标。对于清洗塔的控制，同样采用多变量预测控制手段进行清洗液温度、塔压、中段气量的实时调节。碳化过程先进控制系统以总体物料平衡为主线，并根据各塔的实际工况实时调整各塔的出碱量，既实现了生产最大化又稳定了各塔的平稳运行。

3.2制碱塔中部温度与制碱总量的控制

中部温度和制碱总量是制碱过程中的两个重要控制指标，两者在一定条件下是矛盾的，既要保证制碱总量要求又要保持中部温度在设定范围内。在设计中，出碱总量为第一级优先满足指标，中部温度为第二级优先满足指标。首先满足优先级别高的指标，即尽量满足出碱总量的要求，适当牺牲中部温度。由于制碱过程为多塔并联进行，通常有20 个塔处于制碱状态，因此需要平衡各塔工况。根据各个碳化塔中部温度的变化，合理调整各塔出碱放量，中温越高，放量越多；中温越低，放量越少。中段气和下段气是调节中部温度的重要操作手段，根据中部温度的高低实时调节两段气量。按照中部温度最高、次高、最低、次低的顺序，下段气气量分别在其基准值的基础上调整。

3.3制碱塔出碱温度控制

出碱温度受到冷却海水量、装置负荷、装置反应情况及环境温度等因素的影响。由于冷却海水阀与出碱温度之间存在很大的滞后，手动调节难以达到平稳。在多变量预测控制系统中，出碱温度控制除了考虑海水冷却阀与出碱温度的关系外，还统筹考虑出碱量、中段气、