纯碱生产碳化工艺过程建模与优化控制

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1、广东工业大学硕上学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。论

2、文作者签字：⋯⋯酗够(JL彳钿瑚第一章绪论第一章绪论1．1本课题的研究背景及意义1．1．1课题背景纯碱(Na2C03)是一种重要的基本化工原料，也是一种具有多年生产和使用历史的传统化工产品，它广泛地应用于化学工业、农业、国防工业、建材工业、制药工业、日用品工业、冶金工业以及造纸等诸多行业中，每年的需求量很大，在国民经济建设中占有重要的基础地位，被誉为“化工之母"，纯碱工业的发展好坏直接关系到国民经济的发展和人民生活水平的提高。纯碱生产是化学工业中最复杂的控制对象之一，其生产过程的特点是：生产工艺流程长，连

3、续性强，相互牵制的工序多；生产过程处理的气、液、固相的物料流量大，且有氨循环和部分二氧化碳循环，变量之间有较强的变量关联性。近年来，随着现场仪表检测与控制装置技术问题的逐步解决以及计算机控制系统的广泛应用，纯碱生产过程已较多采用自动控制回路。碳酸化反应是纯碱生产的基本步骤，机理较为复杂。碳化塔是整个纯碱生产的核心单元，既有化学反应、传热、传质、结晶等多种过程，又有气、液、固三相物质的存在，并且每塔又分为清洗和制碱两种状态，是既有连续，又有间歇的复杂生产过程。其各项操作指标完成的好坏直接关系到产品产量和质量

4、，从而影响产品的成本和经济效益。由于碳化是多塔并联操作，各塔物料在流量关系上互相耦合，内外干扰严重，静态、动态特性复杂，具有严重的非线性、时变性，因此改善塔内各个关键工艺参数的控制品质，提高产品的质量和产量是纯碱厂的一个重要课题。目前，国内各碱厂碳化过程虽然大多已经采用计算机控制系统，如DCS和PLC等【，】，但基本上还停留在常规仪表的手／自动控制水平，对于控制点仍采用单回路的手／自动控制，控制品质取决于连续操作水平及操作员的人工经验，控制精广东工业大学硕十学位论文度较为粗糙，使得系统的控制精度不高，且由

5、于操作员频繁的人工干扰使得系统的波动较大，从而难以保证满负荷生产及产品的质量，原料的利用率、钠的利用率、碳的转化率等普遍不高【2】。本课题正是在此背景下分析研究了广州某制碱厂目前现有的生产环境和操作条件，提出了对纯碱碳化过程关键工艺参数的建模与效能优化。1．1．2研究意义在纯碱生产的工艺中，碳化塔是其重要的生产环节，因为纯碱的主要化学反应以及纯碱的生成都是集中在碳化塔内完成的。而在碳化塔内，从碳化塔上部的气流两相反应，即二氧化碳的吸收和氨的解吸，到碳化塔中下部碳酸氢钠的生成，以及碳酸氢钠结晶析出和结晶成长

6、的过程是一个复杂的多相传质传热过程，气液固三相存着相互联系、相互制约、相互促进的复杂关系。控制碳化塔内的吸收和反应过程，直接的手段是控制碳化塔的中部温度、上部温度和出碱液的温度控制，而出碱液的温度控制，只要碳化塔下部水箱的冷却系统的冷却效果足够强，就容易做到的。因此，碳化塔的中上部温度控制的好坏，是衡量碳化过程控制品质的主要标志。然而，要想碳化塔的中上部温度能够稳定在理想值，使碳化塔运行于最佳工况，首先就要了解碳化塔的当前特性，即建立符合碳化塔目前运行特性的模型。以此模型为基础，通过一定的优化算法，在各运

7、行参数的取值范围内，搜寻到一个变量组合，使碳化塔在此组合的作用下，性能达到最优。本课题来源于广东工业大学自动化学院与广州某制碱厂的合作项目。该厂目前采用的是杭州和利时的DCS系统，在碳化环节采用PID控制器，分别对中下段气流量、中水和流量、出碱液流量、出碱温度等关键工艺参数的进行控制，但各个控制器之间都是相互独立，并未考虑其间的相互耦合性，且生产过程波动频繁，人工干预甚多，工人劳动强度大并且控制品质也比较差。从而导致出碱的产量和品质不理想，碳的转化率和钠的利用也较低。为此，针对制碱厂目前的波动频繁的生产工

8、况以及纯碱产量不理想等生产实际现况，对纯碱碳化过程的关键工艺参数的建模与优化控制，使碳化塔的生产更平稳，波动减少，降低设备损耗，降低工人的劳动强度，最终目标是为了能够提高碳的转化率、钠的利用率，提高2第一章绪论纯碱的产量和质量，提高负荷的利用率，降低成本，减少能耗，从而增加经济效益。1．2本课题研究的发展概况和研究现状1．2．1纯碱生产碳化过程建模概况氨盐水吸收C02的碳酸化过程是合成氨、化肥和纯碱工业的重要过程。长期以来，对