1 引言
流程仿真技術(shù)是以工藝過程的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法來描述實(shí)際生產(chǎn)過程，通過計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算手段，進(jìn)行生產(chǎn)過程物料衡算、熱量衡算和能量分析，進(jìn)行裝置調(diào)優(yōu)、過程剖析和過程綜合，達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)、節(jié)約資源、環(huán)境友好、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，為工藝開發(fā)、工程設(shè)計(jì)以及優(yōu)化操作提供理論指導(dǎo)。
流程仿真是20世紀(jì)50年代末期隨著計(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用而逐步發(fā)展起來的。開始只有適用于特定工藝過程（如氨合成、烴類裂解制乙烯等）的專用流程模擬系統(tǒng)，在對不同流程進(jìn)行仿真時(shí)，則需要進(jìn)行較大的改動(dòng)；后來逐步發(fā)展到適用于各種工藝流程的通用流程模擬系統(tǒng)，到60年代后期化工模擬系統(tǒng)已得到推廣應(yīng)用，成為化工流程的開發(fā)和設(shè)計(jì)以及現(xiàn)有生產(chǎn)操作改進(jìn)的主要常規(guī)手段。由于物性數(shù)據(jù)的逐步完善，設(shè)備數(shù)學(xué)模型的研究，模擬的可靠性逐漸提高，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，尤其在過程工業(yè)中發(fā)揮了越來越大的作用，在化工、石油、能源、環(huán)保等諸多領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用，并產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。[1，2，3，4，5]
2氧化鋁生產(chǎn)過程的流程仿真
2.1流程仿真技術(shù)原理
根據(jù)工藝過程所涉及到的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)，引用或創(chuàng)建特定的物性包，建立生產(chǎn)過程中的單元設(shè)備的數(shù)學(xué)模型和單元設(shè)備之間的模型，從而完成完整描述實(shí)際生產(chǎn)過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[6，7]。通過一定的數(shù)學(xué)方法對過程中所涉及到的模型進(jìn)行聯(lián)列求解。通過裝置的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行不同方案和工藝條件的分析，為新工藝的規(guī)劃、研究開發(fā)和技術(shù)可靠性進(jìn)行分析，為生產(chǎn)實(shí)際提供優(yōu)化操作指導(dǎo)。在動(dòng)態(tài)模擬中，還可以通過不同控制策略的比較，對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化控制[5]。
生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型通常為一大型非線性代數(shù)方程組，過程模擬實(shí)質(zhì)就是通過求解該非線性方程組來預(yù)測在一定工藝條件下生產(chǎn)過程的性能。常用的求解方法主要有序貫?zāi)K法、聯(lián)立方程法和聯(lián)立模塊法[3]。
2.2氧化鋁生產(chǎn)工藝
氧化鋁的生產(chǎn)方法有酸法、堿法和熱法。目前氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的是堿法。堿法又包括拜耳法、燒結(jié)法及各種形式的聯(lián)合法。因拜耳法生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟(jì)效益好，流程相對簡單，應(yīng)用最廣，所以主要介紹一下拜耳法的生產(chǎn)工藝。
所謂拜耳法是因?yàn)樗怯蒏.J.bayer在1889－1892年提出而得名的。拜耳法主要包括兩個(gè)主要過程，一是Na2O與Al2O3摩爾比為1.8的鋁酸鈉在常溫下，只要添加氫氧化鋁作為晶種，不斷攪拌，溶液種的Al2O3就可以呈氫氧化鋁析出，直到其中Na2O： Al2O3的摩爾比提高到6為止，此即為鋁酸鈉溶液的晶種分解過程。另一過程是已經(jīng)析出了大部分氫氧化鋁的溶液。在加熱時(shí)，又可以溶出鋁土礦中的氧化鋁水合物。此即利用種分母液溶出鋁土礦的過程。交替使用這兩個(gè)過程處理鋁土礦，得到氫氧化鋁產(chǎn)品，構(gòu)成所謂拜耳法循環(huán)[8]。拜耳法的生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。
3流程仿真軟件unisim在氧化鋁行業(yè)的應(yīng)用
3.1 物料平衡
物料平衡是氧化鋁生產(chǎn)的核心，進(jìn)行氧化鋁生產(chǎn)的物料平衡計(jì)算非常重要，通過物料平衡計(jì)算可以幫助確定最佳的生產(chǎn)方法和工藝流程，從而達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益[9]。氧化鋁行業(yè)中傳統(tǒng)的物料平衡的計(jì)算過程不是按實(shí)際組分來進(jìn)行計(jì)算的，比如NaOH以Na2O表示和計(jì)算，Al(OH)3以Al2O3表示和計(jì)算等。其中的反應(yīng)物組分也是按此計(jì)算。
應(yīng)用unisim軟件，按照物料真實(shí)的物性和真實(shí)的反應(yīng)進(jìn)行核算。其主要的原始物料有鋁土礦、石灰和苛性堿，各組成如表1，表2和表3所示。
所涉及的反應(yīng)有主反應(yīng)和副反應(yīng)。
主反應(yīng)包括：
溶出反應(yīng)：AlOOH+NaOH+H2O=NaAl(OH)4
分解反應(yīng)：NaAl(OH)4= NaOH+Al(OH)3
焙燒反應(yīng)：Al(OH)3=Al2O3+ H2O
副反應(yīng)包括：
水合鋁硅酸鈉：2NaOH+ 2AlOOH+2 SiO2 =Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O
鈦鈣渣：CaO + TiO2+ H2O =CaO.TiO2.H2O
鋁酸鈣：3CaO + 2AlOOH+5H2O =3CaO.Al2O3.6H2O
氫氧化鐵：Fe2O3+3H2O=2Fe(OH)3
根據(jù)鋁土礦成分的變化各種副反應(yīng)會(huì)有所不同。
在unisim基礎(chǔ)環(huán)境中，首先根據(jù)所涉及到的物料的物性數(shù)據(jù)完善各組分，再建立上述各反應(yīng)。
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)，設(shè)定各反應(yīng)的的轉(zhuǎn)化率和分流量，就可以完成氧化鋁生產(chǎn)的物料平衡計(jì)算，與傳統(tǒng)的計(jì)算氧化鋁物料平衡的方法相比，簡便很多，略去了很多中間各種組分量的計(jì)算過程，并且界面直觀，可以查看任意位置的物流組成。
某氧化鋁廠的物料平衡如圖2所示。
根據(jù)該物料平衡計(jì)算，可以進(jìn)行幫助進(jìn)行正確的生產(chǎn)調(diào)度，優(yōu)化生產(chǎn)指標(biāo)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價(jià)等。
3.2模擬優(yōu)化
基本設(shè)置：利用Unisim Design的物性估算功能建立氧化鋁溶出過程的所用到的物性參數(shù)，選用Antoine流體包。
基于以上基本設(shè)置，根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、PFD圖、PID圖、熱力學(xué)數(shù)據(jù)、實(shí)際生產(chǎn)要求（裝置工藝、操作條件、產(chǎn)品的性質(zhì)指標(biāo)）等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立了某氧化鋁廠溶出過程的仿真模型，如圖所示3。
借助工況研究和優(yōu)化工具，通過計(jì)算得到的時(shí)間序列分析和裝置隨條件變化而變化的預(yù)測，用于技術(shù)分析、優(yōu)化生產(chǎn)，排出生產(chǎn)中的瓶頸，設(shè)備維護(hù)、操作員培訓(xùn)和提高裝置操作水平。操作員還可以通過開環(huán)或閉環(huán)改變DCS 的給定值，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化操作。
4 應(yīng)用效果分析
4.1 加深工藝技術(shù)人員對工藝的認(rèn)識和理解
通過模擬模型的建立，能夠加深工藝技術(shù)人員對氧化鋁溶出工藝的認(rèn)識和理解，并對工藝條件變化對工藝過程的影響有了較為形象和直觀的認(rèn)識，能夠使工藝技術(shù)人員更好的判斷和處理生產(chǎn)過程的狀況和異常，提高裝置的運(yùn)行周期和平穩(wěn)率
4.2初步估計(jì)蒸汽耗量可降低2.1%
通過Unisim的優(yōu)化模塊功能，對現(xiàn)有蒸汽的消耗量進(jìn)行優(yōu)化，初步計(jì)算能夠在保持溶出效果相同的情況下，降低2.1%左右的蒸汽耗量
4.3 建立壓力分布動(dòng)態(tài)模型，以及壓力與孔板尺寸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yōu)化孔板尺寸
通過動(dòng)態(tài)模型的建立，建立了氧化鋁溶出過程的壓力分布模型，對于十級閃蒸部分壓力預(yù)測非常重要，通過建立的壓力與孔板尺寸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停A(yù)測孔板尺寸，對于孔板尺寸的調(diào)整具有重要的指導(dǎo)作用
4.4對現(xiàn)有控制方案進(jìn)行測試和優(yōu)化
建立的動(dòng)態(tài)模型，具有對現(xiàn)有控制方案進(jìn)行測試和優(yōu)化控制參數(shù)的作用，因此在動(dòng)態(tài)模型中可以嘗試調(diào)整現(xiàn)有的控制方案、優(yōu)化控制參數(shù)，將會(huì)對整個(gè)工藝生產(chǎn)過程的穩(wěn)定起到重要的指導(dǎo)作用，弱化工藝參數(shù)波動(dòng)對生產(chǎn)過程的影響，提高裝置的生產(chǎn)運(yùn)行周期，具有較為重要的意義
5 總結(jié)
流程仿真技術(shù)在石油、化工、能源等領(lǐng)域的成功應(yīng)用，達(dá)到了優(yōu)化工藝流程、提升設(shè)備產(chǎn)能、提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目的。國外氧化鋁的流程仿真，已經(jīng)在工藝參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)流程優(yōu)化、新控制策略的的開發(fā)、員工培訓(xùn)和事故處理，提升產(chǎn)品質(zhì)量方面得到了廣泛的應(yīng)用[9，10，11，12]。把流程模擬和優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于我國的氧化鋁行業(yè)，一定會(huì)提升傳統(tǒng)生產(chǎn)水平，增強(qiáng)我國氧化鋁行業(yè)的競爭力。
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作者簡介：劉志明，男，1979年08月出生，工程師，中國鋁業(yè)鄭州研究院從事氧化鋁生產(chǎn)過程的模擬仿真和優(yōu)化工作。
投稿人聯(lián)系：劉志明，電話：13938545990，0371-68918252(O)
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