基于廣義預(yù)測(cè)的蒸氨槽氨壓控制系統(tǒng)研究

1引言

鈦黃粉既是冶煉金屬鈦和氯化法鈦白粉的重要生產(chǎn)原料，也是一種性能良好的化學(xué)顏料，具有很好耐酸堿、抗高溫的化學(xué)性質(zhì)，并且防水、無毒，耐磨性、抗粉化性能很好。但由于其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢液含有氯化鐵和氯化亞鐵等有害物質(zhì)，引起越來越多的重視。廢液若處理不當(dāng)，將污染環(huán)境，危害人體健康。對(duì)于企業(yè)則導(dǎo)致排放廢水不合格，連續(xù)生產(chǎn)受阻，進(jìn)一步影響企業(yè)效益。從鈦黃粉生產(chǎn)工藝了解，蒸氨作為廢液處理的重要環(huán)節(jié)之一，必須嚴(yán)格控制其工藝指標(biāo)。課題基于蒸氨槽氨氣壓力控制對(duì)象，進(jìn)行氨壓控制系統(tǒng)整體方案研究。



圖1 紙頁(yè)張力與牽引力的關(guān)系

蒸氨工序不僅為中和氧化槽提供反應(yīng)原料氨氣，也影響生化污水處理工序，是整個(gè)廢液處理過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了保證蒸氨生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行，其中最主要的是對(duì)蒸氨槽壓力的控制。氨氣出口壓力過大，在后續(xù)的中和過程中，過高的出口壓力使得噴射過量氨氣與霧化的鈦黃廢液中和，中和液體的PH值將提高，難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。氨壓過高，氨氣在水中的溶解度越高，不易于氨氣的揮發(fā)蒸出；氨壓過低，則不易達(dá)到蒸氨所須的溫度，蒸氨效果變差，脫氨不完全，致使槽底蒸氨廢水含氨氮過高，影響生化處理工序的生產(chǎn)。在蒸氨工藝中，保持恒定的氨氣壓力工況是蒸氨過程以及后續(xù)中和氧化反應(yīng)連續(xù)正常生產(chǎn)的必要條件。對(duì)于氧化鐵紅蒸氨槽，主要控制蒸氨槽槽頂氨壓，具體來說，根據(jù)鐵紅生產(chǎn)工藝要求，蒸氨槽槽頂壓力一般控制在20KPa左右。由于蒸氨槽氨壓控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變性、大滯后的復(fù)雜控制系統(tǒng)，難以建立精確數(shù)學(xué)模型，在這種情況下傳統(tǒng)的控制算法存在很多不足之處，如抗干擾能力差，參數(shù)不易實(shí)時(shí)在線調(diào)整等，因此一種適用于蒸氨槽氨氣壓力控制的算法有待研究。

鐵紅蒸氨操作是在蒸氨槽內(nèi)進(jìn)行的，中和氧化槽送入的原料氨水經(jīng)加料板與所加堿液反應(yīng)，在蒸氨槽內(nèi)生成氨水混合液，然后與槽底通入的過熱蒸汽在槽內(nèi)塔板上下相遇，倆者之間發(fā)生汽液倆相傳質(zhì)傳熱過程至倆相平衡，經(jīng)過槽內(nèi)多層塔板反復(fù)操作后，氨水混合液的氣液組分能夠得到較為完全的分離，獲得濃氨氣產(chǎn)品。蒸氨槽頂部的氨蒸汽經(jīng)分縮器，產(chǎn)生的冷凝液直接回流到蒸氨槽，濃氨汽經(jīng)氨水槽送下一工段中和氧化槽進(jìn)行中和氧化反應(yīng)。



圖2 鐵紅蒸氨工藝流程圖

總的來說，鐵紅蒸氨槽蒸氨過程可以分為倆部分：一是反應(yīng)階段，即加入的堿液與中和氧化槽提供的原料氨水液在加料板裝置發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)階段生成待蒸餾的氨水混合液；二是精餾階段，在鐵紅蒸氨槽內(nèi)過熱蒸汽和氨水混合液體經(jīng)過上下逆流接觸，在各層塔板上多次進(jìn)行傳質(zhì)傳熱交換，每層塔板交換過后氨組分含量提高的氣相從塔板上升，水組分含量提高的液相則沿塔板下降。反應(yīng)混合物之間溫度和濃度的差異造成的氣液兩相不平衡是發(fā)生傳質(zhì)傳熱過程的主要原因，蒸汽與氨水混合液在經(jīng)過反復(fù)交換過程后理論上能夠在槽內(nèi)達(dá)成倆相平衡^[1]。

因此，鐵紅蒸氨反應(yīng)過程原理可歸結(jié)為反應(yīng)精餾。其中，過熱蒸汽是蒸氨反應(yīng)正常進(jìn)行的重要條件之一。同時(shí)，為了防止反應(yīng)過后槽內(nèi)氣液不平衡影響后續(xù)蒸氨過程運(yùn)行和能耗等問題，蒸氨生產(chǎn)過程必須將產(chǎn)生的冷凝液回流到蒸氨槽內(nèi)，從而保證蒸氨生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行。

2蒸氨槽氨壓控制系統(tǒng)模型

考慮到蒸氨槽氨壓控制的復(fù)雜性，為建立適合于氨壓控制的數(shù)學(xué)模型，需對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，這里將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為供料泵、反應(yīng)容器、壓力容器、管道四個(gè)部分。其中，反應(yīng)容器指蒸氨過程的物理化學(xué)反應(yīng)，原料氨水由供料泵送入到蒸氨槽經(jīng)充分反應(yīng)、精餾得到濃氨氣產(chǎn)品；壓力容器是假想的度量氨氣產(chǎn)品緩沖容積容器；管道模型指包括反應(yīng)滯后因素等的氣體傳輸管道。



圖3 鐵紅蒸氨槽氨壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖

2.1給料泵控制模型

傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門開度大小的方來改變流量造成不必要的功率損失，不利于節(jié)能。從動(dòng)力來源的角度出發(fā)，采用變頻器調(diào)節(jié)給料泵的轉(zhuǎn)速，從而改變流量大小。由于在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的過程中，隨著泵輸出壓頭的降低，能夠節(jié)省以前在調(diào)節(jié)閥上的阻力等做功浪費(fèi)的功率。因此，對(duì)于如鐵紅蒸氨生產(chǎn)過程等工況變化較為頻繁的給料泵，考慮采用變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)流量大小，以適應(yīng)于蒸氨生產(chǎn)過程工況的變化情況，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的。

在一定的壓力條件下，忽略泵的內(nèi)外泄漏量以及原料液被壓縮的體積流量，轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系式如下：



式中Q為實(shí)際流量；V為泵的排量，指泵每一轉(zhuǎn)所排出的介質(zhì)容積，排量值由廠家給出，也可以通過幾何關(guān)系自己測(cè)算，在泵空載情況下測(cè)量出流量再除以轉(zhuǎn)速得到。從上式我們知道，泵的排量及效率為恒定值，得出給料泵的轉(zhuǎn)速流量控制模型為線性比例模型，即可簡(jiǎn)化為：



2.2鐵紅蒸氨反應(yīng)模型

蒸氨反應(yīng)過程是一個(gè)復(fù)雜的氣液倆相傳質(zhì)傳熱過程，在建立其反應(yīng)模型時(shí)，必須對(duì)蒸氨工況特性和操作條件等進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。在建立蒸氨過程的汽液平衡、物料平衡、能量平衡時(shí)，假設(shè)以下情況成立：

將蒸氨槽內(nèi)混合物近似為具有理想特性的汽相和液相，利用Wilson方程推導(dǎo)求解；在槽內(nèi)每層塔板上，其上下逆流的傳質(zhì)傳熱過程中汽液倆相完全混合、溫度和濃度分布均勻；忽略反應(yīng)過程中消耗的熱量和過熱蒸汽的動(dòng)態(tài)特性^[2]。

假設(shè)條件成立的情況下，已知蒸氨過程中的工藝參數(shù)如槽的規(guī)格、負(fù)荷量、進(jìn)料流量及濃度等，可以建立槽內(nèi)每層塔板的MSEH方程，即物料守衡方程、能量守衡方程、汽液平衡方程、歸一化方程。由于氣相流量是通過板間壓差計(jì)算的，如果逐板計(jì)算各板壓力再求流量將會(huì)導(dǎo)致壓力的值不穩(wěn)定，難以得到反應(yīng)模型控制的傳遞函數(shù)。聯(lián)系蒸氨槽氨壓控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)，需要加以簡(jiǎn)化計(jì)算求解過程。由于系統(tǒng)最終被控對(duì)象為氨壓，因此在整個(gè)蒸氨過程中，可利用物料守恒中化學(xué)分子守恒即氨根離子守恒求出氨氣量，再換算成氨壓得到控制效果。設(shè)蒸氨槽進(jìn)料流量為F，原料氨水濃度為C，以及塔板總的效率，由氨根離子物質(zhì)的量守恒得如下方程：



氨氣體積及質(zhì)量流量：



聯(lián)立上述方程(3) (4) (5)并經(jīng)拉普拉斯變換，得蒸氨槽入口氨氣質(zhì)量流量為：



這里n(s)為供料泵轉(zhuǎn)速。

2.3出口調(diào)節(jié)閥及壓力容器模型

蒸氨過程生成的氨氣出口由調(diào)節(jié)閥控制，因此針對(duì)出口調(diào)節(jié)閥建模。線性調(diào)節(jié)閥質(zhì)量流量為：



對(duì)其平衡點(diǎn)進(jìn)行線性化和拉氏變換得：



其中為調(diào)節(jié)閥比例常數(shù)參數(shù)；為閥門兩端的平衡點(diǎn)的壓力；是氣體的密度；為閥門初始開度；為閥門的開度；為閥門兩端的壓力。

蒸氨槽入口與出口的質(zhì)量流量變化關(guān)系如下：



對(duì)其平衡點(diǎn)附近的線性化及對(duì)時(shí)間的拉氏變換得：



其中V為壓力容器體積；是氣體的密度；R為氣體常數(shù)；氣體溫度；蒸氨槽的氨氣壓力。