一种氧化铝蒸发过程降膜蒸发器的液位优化设定方法
【技术领域】 [0001] 本发明设及一种氧化侣蒸发过程降膜蒸发器的液位优化设定方法。
【背景技术】 [0002] 在拜耳法氧化侣生产过程中，蒸发过程是一项高耗能工序，其能耗占整 个氧化侣生产流程能耗的20%W上，出料浓度和加热蒸汽消耗分别是蒸发过程技术指标和 经济指标。在降膜蒸发器运行中，蒸发器物料液位直接影响蒸发器分离室压力和出料温度 从而影响蒸发效率和加热蒸汽消耗，液位过高则直接影响传热和气液分离效率，液位过低 则会出现干罐事故。为了提高蒸发效率，降低加热蒸汽消耗，设置合理的蒸发器液位值十分 重要。然而，实际生产中液位设定在一个较大的范围内，难W优化运行。因此，如何在现有 技术条件下，实现对蒸发器液位值的优化设定，是氧化侣生产企业中备受关注也是亟待解 决的重要问题。
[0003] 目前，对蒸发器液位值的研究主要集中在液位的控制方法方面，比如用解禪控制 方法对液位和出料密度进行控制，其目的是稳定液位和出料密度。对于液位如何影响蒸发 效率及加热蒸汽消耗，只有定性的分析，而没有定量的计算。液位值如何设定，不同工况条 件下最优的液位是多少也很难找到理论依据。
[0004] 为此，研究蒸发器液位对蒸发过程的影响和蒸发器液位的优化设定对指导实际生 产，提高蒸发效率，降低加热蒸汽消耗有着十分重要的意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种氧化侣蒸发过程降膜蒸发器液位值的优化设 定方法。
[0006] 本发明建立了基于火用效率最大的液位优化设定模型，通过物料平衡原理对模型 中的加热蒸汽流量、二次蒸汽流量和出口料液流量进行计算；再根据蒸发器比火用的计算 公式，得到了加热蒸汽、二次蒸汽、进口料液、出口料液和冷凝水的比火用计算公式，其中出 口料液比火用的计算关键在于获得出口料液温度，二次蒸汽比火用计算关键在于获得二次 蒸汽压力；再根据蒸发器工作原理，得到了影响出口料液温度变化的两个关键变量为分离 室压力和液位高度，影响分离室压力的两个关键因素分别为加热蒸汽压力和液位高度，通 过二阶多项式拟合W及最小二乘法参数辨识，得到了出口料液温度计算公式和分离室压力 计算公式；再设定模型中加热蒸汽压力、进料条件参数和工艺要求的出口料液密度，根据火 用效率最大时，蒸发效率最高，加热蒸汽消耗最小，对优化设定模型求解即可得到最优液位 值，生产中可根据该液位优化设定模型对蒸发器液位值进行设定，从而提高蒸发过程火用 效率，降低加热蒸汽消耗。具体过程如下； 基于最大火用效率的液位优化设定模型
【主权项】
1. 一种氧化铝蒸发过程降膜蒸发器的液位优化设定方法，其特征在于建立基于最大火 用效率的液位优化设定模型：
式中/为火用效率，Wi为加热蒸汽流量，同时也为冷凝水流量，为二次蒸汽流量， 巧为出口料液流量，€为进口料液流量，2>巧为加热室温度与压力，Γν、ξ为分离室温 度与压力，4 6为进口料液的温度与压力，？> ξ为出口料液的温度与压力， 为二次蒸汽在温度?；、压力Pv下的比火用，A(T35P5)为加热蒸汽在温度为I；、压力为巧下 的比火用，5 , ξ)为出口料液在温度为？；、压力为巧下的比火用，6供，巧）为进口料 液在温度为$、压力为巧下的比火用，$(?；，g)为冷凝水在温度为?；、压力为巧下的比火 用，A5R分别为进口料液密度和出口料液密度，其中6、F；单位为kg/h，《5、单位为 m3/h，J单位为％，比火用单位为kj/kg，密度单位为kg/m3,温度单位为Κ，压力单位为Mpa ; 根据物料平衡原理，得蒸发器稳态运行时物料平衡模型：
其中，分别为加热蒸汽潜热与二次蒸汽潜热，单位为kj/kg，通过查表得到， 分别为进口料液比热容和出口料液比热容，单位为kj/kg · K，7为能量损耗系数，无量纲； 根据火用分析方法，得蒸发器加热蒸汽和二次蒸汽的比火用均采用下式计算：
其中，A5S为蒸汽比焓值和比熵值，单位为kj/kg，/?,?为加热蒸汽或二次蒸汽在基准 环境，即TP273K、Ptl=O. IOlMpa下的比焓值和比熵值，八P为蒸汽的温度与压力；根据实际 蒸汽压力与温度，蒸发器加热蒸汽与二次蒸汽看作饱和蒸汽，比焓值和比熵值根据蒸汽压 力查表获得，故要获得加热蒸汽比火用和二次蒸汽比火用关键在于获得加热蒸汽压力和二 次蒸汽压力； 进口料液和出口料液的比火用计算公式如下：
其中，Γ、i3、e、P分别是进口料液或出口料液的温度、压力、比热容、密度；由公式 (6)可知，对于进口料液与出口料液，要获得其比火用大小，关键在于得到进口料液与出口 料液的温度和压力； 冷凝水比火用计算公式如下：
式中ZisS为冷凝水比焓值和比熵值，/?,?为冷凝水在基准环境，即1^=2731 Ptl=O. KUMpa下的比焓值和比熵值，为冷凝水的温度与压力； 根据蒸发器运行机理，得出口料液温度与分离室压力计算公式； 出口料液温度为其所处环境压力下的沸点值，其所处环境压力为分离室压力与液位高 度静压之和，根据实际生产数据拟合得出口料液温度与液位和分离室压力关系式为：
式中JT为液位高度值，单位为m，为待辨识参数，根据工业运行数 据，采用最小二乘法辨识可获得； 分离室压力受加热蒸汽压力与液位高度影响最大，采用下式进行计算：
式中?= 0Λ2,3,4,5为待辨识参数，根据工业运行数据，采用最小二乘法辨识获得； 基于式（1) 一式（9)的火用分析和火用效率的优化模型，在给定模型加热蒸汽压力6、 进料参数A A53；及工艺要求的出料密度&后，通过对式（1)求解得到火用效率最大时 的液位值，实现蒸发器液位值的优化设定。
【专利摘要】一种氧化铝蒸发过程降膜蒸发器的液位优化设定方法，本发明建立了蒸发器稳态运行时的物料平衡关系模型；针对蒸发过程能量多级利用的特点，建立了火用分析模型对蒸发器能量利用进行评价；拟合得到了火用计算所需的液位、出口料液温度、分离室压力和加热室压力的关系模型；以上述模型为约束，建立了以火用效率最大化为目标的蒸发器液位优化设定模型。给定模型参数条件，对模型求解可获得相应条件下的最优液位设定值。本发明拟合模型的平均相对误差分别为0.19%、1.2%，最大相对误差分别为0.7%、4.5%；通过该方法优化设定蒸发器的液位，最大提高火用效率10%，平均提高火用效率2%，从而降低加热蒸汽消耗，对蒸发过程节能降耗具有重要意义。
【IPC分类】B01D1-22, B01D1-30, C01F7-02, G06F19-00
【公开号】CN104866707
【申请号】CN201510174587
【发明人】谢永芳, 王晓丽, 左健, 阳春华, 桂卫华, 徐德刚, 王峰
【申请人】中南大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月14日