霍尼韦尔流程仿真软件unisim在氧化铝行业中的应用

1 引言

流程仿真技术是以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述实际生产过程，通过计算机辅助计算手段，进行生产过程物料衡算、热量衡算和能量分析，进行装置调优、过程剖析和过程综合，达到优化生产、节约资源、环境友好、提高经济效益的目的，为工艺开发、工程设计以及优化操作提供理论指导。

    流程仿真是20世纪50年代末期随着计算机在化工中的应用而逐步发展起来的。开始只有适用于特定工艺过程（如氨合成、烃类裂解制乙烯等）的专用流程模拟系统，在对不同流程进行仿真时，则需要进行较大的改动；后来逐步发展到适用于各种工艺流程的通用流程模拟系统，到60年代后期化工模拟系统已得到推广应用，成为化工流程的开发和设计以及现有生产操作改进的主要常规手段。由于物性数据的逐步完善，设备数学模型的研究，模拟的可靠性逐渐提高，应用范围逐渐扩大，尤其在过程工业中发挥了越来越大的作用，在化工、石油、能源、环保等诸多领域均得到了广泛的应用，并产生了显著的经济效益。^{[1，2，3，4，5]}

2氧化铝生产过程的流程仿真

2.1流程仿真技术原理

根据工艺过程所涉及到的基础物性数据，引用或创建特定的物性包，建立生产过程中的单元设备的数学模型和单元设备之间的模型，从而完成完整描述实际生产过程系统的数学模型^[6，7]。通过一定的数学方法对过程中所涉及到的模型进行联列求解。通过装置的稳态和动态模型，进行不同方案和工艺条件的分析，为新工艺的规划、研究开发和技术可靠性进行分析，为生产实际提供优化操作指导。在动态模拟中，还可以通过不同控制策略的比较，对生产过程进行优化控制^[5]。

生产过程的数学模型通常为一大型非线性代数方程组，过程模拟实质就是通过求解该非线性方程组来预测在一定工艺条件下生产过程的性能。常用的求解方法主要有序贯模块法、联立方程法和联立模块法^[3]。

2.2氧化铝生产工艺

氧化铝的生产方法有酸法、碱法和热法。目前氧化铝工业生产实际应用的是碱法。碱法又包括拜耳法、烧结法及各种形式的联合法。因拜耳法生产成本低，经济效益好，流程相对简单，应用最广，所以主要介绍一下拜耳法的生产工艺。

所谓拜耳法是因为它是由K.J.bayer在1889－1892年提出而得名的。拜耳法主要包括两个主要过程，一是Na2O与Al2O3摩尔比为1.8的铝酸钠在常温下，只要添加氢氧化铝作为晶种，不断搅拌，溶液种的Al2O3就可以呈氢氧化铝析出，直到其中Na2O： Al2O3的摩尔比提高到6为止，此即为铝酸钠溶液的晶种分解过程。另一过程是已经析出了大部分氢氧化铝的溶液。在加热时，又可以溶出铝土矿中的氧化铝水合物。此即利用种分母液溶出铝土矿的过程。交替使用这两个过程处理铝土矿，得到氢氧化铝产品，构成所谓拜耳法循环^[8]。拜耳法的生产工艺流程图如图1所示。 

3流程仿真软件unisim在氧化铝行业的应用

3.1 物料平衡

物料平衡是氧化铝生产的核心，进行氧化铝生产的物料平衡计算非常重要，通过物料平衡计算可以帮助确定最佳的生产方法和工艺流程，从而达到最好的经济效益^[9]。氧化铝行业中传统的物料平衡的计算过程不是按实际组分来进行计算的，比如NaOH以Na2O表示和计算，Al(OH)3以Al2O3表示和计算等。其中的反应物组分也是按此计算。

应用unisim软件，按照物料真实的物性和真实的反应进行核算。其主要的原始物料有铝土矿、石灰和苛性碱，各组成如表1，表2和表3所示。

所涉及的反应有主反应和副反应。

主反应包括：

溶出反应：AlOOH+NaOH+H2O=NaAl(OH)4

分解反应：NaAl(OH)4= NaOH+Al(OH)3

焙烧反应：Al(OH)3=Al2O3+ H2O

副反应包括：

水合铝硅酸钠：2NaOH+ 2AlOOH+2 SiO2 =Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O

钛钙渣：CaO + TiO2+ H2O =CaO.TiO2.H2O

铝酸钙：3CaO + 2AlOOH+5H2O =3CaO.Al2O3.6H2O

氢氧化铁：Fe2O3+3H2O=2Fe(OH)3

根据铝土矿成分的变化各种副反应会有所不同。

在unisim基础环境中，首先根据所涉及到的物料的物性数据完善各组分，再建立上述各反应。

根据实际生产工艺参数，设定各反应的的转化率和分流量，就可以完成氧化铝生产的物料平衡计算，与传统的计算氧化铝物料平衡的方法相比，简便很多，略去了很多中间各种组分量的计算过程，并且界面直观，可以查看任意位置的物流组成。

某氧化铝厂的物料平衡如图2所示。

根据该物料平衡计算，可以进行帮助进行正确的生产调度，优化生产指标，进行经济性评价等。

3.2模拟优化

基本设置：利用Unisim Design的物性估算功能建立氧化铝溶出过程的所用到的物性参数，选用Antoine流体包。

基于以上基本设置，根据生产数据、PFD图、PID图、热力学数据、实际生产要求（装置工艺、操作条件、产品的性质指标）等基础数据建立了某氧化铝厂溶出过程的仿真模型，如图所示3。

 

借助工况研究和优化工具，通过计算得到的时间序列分析和装置随条件变化而变化的预测，用于技术分析、优化生产，排出生产中的瓶颈，设备维护、操作员培训和提高装置操作水平。操作员还可以通过开环或闭环改变DCS 的给定值，实现优化操作。

4 应用效果分析

4.1 加深工艺技术人员对工艺的认识和理解

     通过模拟模型的建立，能够加深工艺技术人员对氧化铝溶出工艺的认识和理解，并对工艺条件变化对工艺过程的影响有了较为形象和直观的认识，能够使工艺技术人员更好的判断和处理生产过程的状况和异常，提高装置的运行周期和平稳率

4.2初步估计蒸汽耗量可降低2.1%

     通过Unisim的优化模块功能，对现有蒸汽的消耗量进行优化，初步计算能够在保持溶出效果相同的情况下，降低2.1%左右的蒸汽耗量

4.3 建立压力分布动态模型，以及压力与孔板尺寸经验模型，优化孔板尺寸

     通过动态模型的建立，建立了氧化铝溶出过程的压力分布模型，对于十级闪蒸部分压力预测非常重要，通过建立的压力与孔板尺寸经验模型，预测孔板尺寸，对于孔板尺寸的调整具有重要的指导作用

4.4对现有控制方案进行测试和优化

    建立的动态模型，具有对现有控制方案进行测试和优化控制参数的作用，因此在动态模型中可以尝试调整现有的控制方案、优化控制参数，将会对整个工艺生产过程的稳定起到重要的指导作用，弱化工艺参数波动对生产过程的影响，提高装置的生产运行周期，具有较为重要的意义

5 总结

流程仿真技术在石油、化工、能源等领域的成功应用，达到了优化工艺流程、提升设备产能、提高生产率、提高产品质量、降低生产成本的目的。国外氧化铝的流程仿真，已经在工艺参数优化、生产流程优化、新控制策略的的开发、员工培训和事故处理，提升产品质量方面得到了广泛的应用^{[9，10，11，12]}。把流程模拟和优化技术应用于我国的氧化铝行业，一定会提升传统生产水平，增强我国氧化铝行业的竞争力。

 

参考文献：

[1] 屈一新.化工过程数值模拟及软件[M].化学工业出版社，2006，7

[2]杨友麟. 过程流程模拟[J]. 计算机与应用化学，1995，2（12）：1~6

[3]朱开宏.化工过程流程模拟[M]. 中国石化出版社，1993，3

[4]夏永慧.一个基于流程模拟的换热网络优化方法[J]. 炼油技术与工程，2002，2（33）：19~23

[5]刘世艳. 流程模拟技术在化工领域的运用[J]

[6]杨友麟，项曙光. 化工过程模拟与优化[M]. 化学工业出版社，2006，5

[7]石油化工流程模拟、先进控制与过程优化技术的现状与展望

[8]杨重愚. 氧化铝生产工艺学.（修订版）[M].北京:冶金工业出版社，1993.1～219

[9] Yousry L. Sidrak，Dynamic Simulation and Control of the Bayer Process. A Review[J]. Ind. Eng. Chem. Res. 2001, 4（40）: 1146-1156

[10] Crama, W. J.; Visser, J. Modeling and Computer Simulationof Alumina Trihydrate Precipitation. Proceedings of 123rd Annual Meeting on Light Metals, San Francisco, CA, 1984; 73~82.

[11]Hoffman, T. W. The Simulation of the Bayer Process for Extracting Alumina from Bauxite Ore. Proceedings of the Symposium on Computers in the Design and Erection of Chemical Plants, Karlavy Vary, Czechoslovakia, 1975; 451~461.

[12] Langa, J. M.; Russell, T. G.; O’Neil, G. A.; Snyder, J. G.; Gacka, P.; Shah, V. B.; Stephenson, J. L. Aspen Modeling of the Bayer Process. Proceedings of the Technical Sessions of the 11th TMS Annual Meeting, New Orleans, LA, 1986; 169~171

 

 

 

作者简介：刘志明，男，1979年08月出生，工程师，中国铝业郑州研究院从事氧化铝生产过程的模拟仿真和优化工作。

 

 

投稿人联系：刘志明，电话：13938545990，0371-68918252(O)

           河南省上街区济源路82号，中国铝业郑州研究院仿真所，邮编：450041