（控制科学与工程专业论文）基于火用分析的氧化铝四效逆流降膜式蒸发系统优化.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：牲日期丝年上月兰日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 轹轴胳名彳飙一如鲫 摘要 蒸发是氧化铝生产的重要环节之一，也是氧化铝生产过程的主要 耗能工序。蒸发过程流程长，影响能耗的工艺参数多，且各参数之间 耦合严重。在实际生产过程中，工艺参数是由操作人员在生产稳定的 前提下根据工作经验给定，难以实现操作的优化，从而导致蒸发过程 能耗较高。 针对这一问题，以氧化铝厂四效逆流降膜式蒸发过程为研究对 象，在分析蒸发过程机理的基础上，建立了基于物料平衡、能量平衡、 相平衡和传热速率方程的机理模型，并用三箱分析法对蒸发系统和各 单元设备进行了火用分析，得出系统能耗的主要设备是i i 效蒸发器，主 要来源是传热火用损失。建立了以火用损比最小为目标，以新蒸汽压力、 末效真空度、原液温度、原液总流量、进四效蒸发器原液流量五个主 要工艺参数为优化变量，以出口浓度和生产工艺为约束条件的蒸发过 程能耗优化模型。 选用差分进化算法对该优化模型进行求解，针对差分进化算法容 易陷入局部最优及其优化性能受操作算子及进化模式的影响很大的 问题，提出了自适应变异算子、自适应交叉算子及分段选取不同的进 化模式的方法，保证搜索初期维持种群的多样性和较强的全局搜索能 力，搜索后期维持较强的局部搜索能力和较高的收敛速率。通过对四 个标准测试函数进行仿真，验证了改进的算法的可行性和有效性。 最后将改进的差分进化算法应用到蒸发过程能耗优化模型的求 解，实现了蒸发过程的能耗优化。 关键词：氧化铝；蒸发过程能耗优化模型；三箱分析法；火用分析； 差分进化算法 a bs t r a c t e v a p o r a t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tl i n k so fa l u m i n ap r o d u c t i o n a n d i sa l s oac r u c i a lw o r k i n gp r o c e d u r eo fe n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ep r o c e s s o fa l u m i n ap r o d u c t i o n e v a p o r a t i o np r o c e s si s l o n ga n dt h ei n f l u e n t i a l f a c t o r so fe n e r g yc o n s u m p t i o na r em u l t i p l e ，w h i c ha r eo fs e r i o u sc o u p l i n g t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa r ea d j u s t e de m p i r i c a l l yb yt h eo p e r a t o r su n d e r t h ep r e m i s eo fs t a b l ep r o d u c t i o n ，s oi t sh a r dt or e a l i z et h eo p t i m a l o p e r a t i o n ，w h i c hl e a d st ot h eh i g he n e r g yc o n s u m p t i o ni ne v a p o r a t i o n p r o c e s s t os o l v et h i sp r o b l e m ，am e c h a n i s mm o d e l i se s t a b l i s h e s db a s e do n m a t e r i e lb a l a n c e ，h e a tb a l a n c e ，p h a s eb a l a n c ea n dt h ee q u a t i o no ft h e s p e e do fh e a tt r a n s p o r t i n gb ya n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo ft h ef o u r - e f f e c t r e f l u e n tf a l l i n gf i l me v a p o r a t i o ns y s t e mo fa na l u m i n a p l a n t t h r o u g ht h e e x e r g ya n a l y s i sb a s e d o nt h et h r e e b o x a n a l y t i c a l m e t h o dt ot h e e v a p o r a t i o ns y s t e ma n de a c he q u i p m e n t ，i tc o m e st oac o n c l u d et h a tt h e e q u i p m e n tl o s i n ge x e r g ym o s ti st h es e c o n de v a p o r a t o ra n dt h el i n kl o s i n g e x e r g ym o s ti sh e a tc o n d u c t i o ne x e r g yl o s s a no p t i m i z a t i o nm o d e lo f e n e r g yc o n s u m p t i o ni ne v a p o r a t i o np r o c e s si sd e v e l o p e dt om i n i m i z et h e e x e r g yl o s sp e r c e n t a g e ，i nw h i c ht h es t e a mp r e s s u r e ，t h ed e g r e eo f v a c u u mi nt h el a s te v 印o r a t o r , t h em a t e r i a lt e m p e r a t u r e ，t h et o t a lm a t e r i a l f l o wa n dt h em a t e r i a lf l o wi n t ot h ef o u r t he v a p o r a t o ra r ea s s u m e dt ob e v a r i a b l e s ，a n dt h eo u t l e tc o n c e n t r a t i o na n dp r o d u c t i o np r o c e s sa r e c o n s i d e r e da sc o n s t r a i n t s t h ed i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h m ( d e a ) i sc h o s e nt os o l v et h e o p t i m i z a t i o nm o d e l b a s e do nt h ep r o b l e m st h a td e ai se a s yt ol c a dt o t h el o c a lo p t i m i z a t i o na n dt h eo p e r a t i n gf a c t o r sa n dt h ee v o l u t i o nm o d e s h a v eah u g ee f f e c to nt h eo p t i m i z a t i o np e r f o r m a n c e ，am e t h o di sp r o p o s e d i ta d o p t ss e l f - a d a p t i n gv a r i a t i o no p e r a t o r s e l f - a d a p t i n gc r o s s o v e ro p e r a t o r a n dc h o o s i n gd i f f e r e n te v o l u t i o nm o d e si nd i f f e r e n te v o l u t i o n s p a c e s t h e i m p r o v e dd e ac a nk e e pt h em u l t i f o r mo ft h ec o l o n ya n dt h es t r o n g g l o b a ls e a r c h i n ga b i l i t yi nt h ep r o p h a s eo ft h ew h o l es e a r c h i n gp r o c e s s a n dt h es t r o n gl o c a ls e a r c h i n ga b i l i t ya n dh i g hc o n v e r g e n c es p e e di nt h e a n a p h a s eo ft h ew h o l es e a r c h i n gp r o c e s s f o u rs t a n d a r df u n c t i o n sa r e i l t a k e nt ot e s ti t sp e r f o r m a n c e ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h ei m p r o v e d a l g o r i t h mi sf e a s i b l ea n d e f f e c t i v e f i n a l l y , t h ei m p r o v e de d ai sa p p l i e dt os o l v et h eo p t i m i z a t i o n m o d e lo f e n e r g yc o n s u m p t i o ni ne v a p o r a t i o np r o c e s s t h ee n e r g y c o n s u m p t i o no p t i m i z a t i o no fe v a p o r a t i o np r o c e s si sa c h i e v e d k e y w o r d s ：a l u m i n a ，o p t i m i z a t i o nm o d e lo fe n e r g yc o n s u m p t i o ni n e v a p o r a t i o np r o c e s s ，t h r e e - b o xa n a l y t i c a l m e t h o d ，e x e r g ya n a l y s i s ， d i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h m i i l 目录 摘要i a 】! ；s t r a c t i i 目录 符号说明v i 第一章绪论1 1 1 课题来源及研究意义1 1 2 火用分析法的国内外研究现状。2 1 3 多效蒸发能耗优化的国内外研究现状3 1 4 优化方法的国内外研究现状4 1 5 论文主要研究内容及结构安排5 第二章氧化铝四效逆流降膜式蒸发工艺与机理分析7 2 1 蒸发原理7 2 2 多效蒸发系统常见流程8 2 3 氧化铝四效逆流降膜式蒸发工艺9 2 4 氧化铝蒸发过程主要设备1 l 2 5 氧化铝四效逆流降膜式蒸发机理1 3 2 5 1 蒸发过程衡算原理。1 3 2 5 2 单元设备衡算方程1 4 2 6 本章小结l5 第三章基于火用的蒸发过程能耗分析1 6 3 1 火用分析的必要性1 6 3 2 火甩的介绍2 0 3 2 1 火用的基本理论2 0 3 2 2 烟值的计算2 l 3 2 3 火用的评价指标2 3 3 2 4 火用分析的方法2 5 3 3 蒸发过程的火用损失分析2 7 3 3 1 外部火用损失2 7 3 3 2 内部火用损失2 7 3 4 蒸发过程火甩平衡分析2 8 3 4 1 假设条件2 8 3 4 2 系统中火用值的计算2 9 i v 3 4 3 蒸发系统的黑箱模型火用分析3 0 3 4 4 蒸发系统的灰箱模型火用分析3 0 3 4 5 蒸发系统的白箱模型火用分析。3 7 3 4 6 影响传热火用损失的因素分析3 9 3 4 7 结论4 0 3 5 本章小结4 0 第四章基于改进差分进化算法的蒸发过程能耗优化4 1 4 1 影响四效逆流降膜式蒸发系统能耗的主要因素4 1 4 2 优化模型建立4 4 4 2 1 选取优化变量4 4 4 2 2 建立目标函数4 5 4 2 3 设定约束条件4 5 4 3 差分进化算法4 7 4 3 1d e a 基本思想4 7 4 3 2 标准d e a 的基本流程4 7 4 3 3d e a 的模式5 0 4 3 4d e a 的参数设置规则5 l 4 4d e a 的改进5 2 4 4 1 自适应调整变异算子5 2 4 4 2 自适应调整交叉算子5 2 4 4 3 差分进化模式的选取5 3 4 5 算法性能测试5 4 4 5 1 测试函数5 4 4 5 2 算法测试性能指标5 5 4 5 3 参数设置及结果分析5 6 4 6 蒸发过程能耗优化模型求解及结果分析5 6 4 7 本章小结。6 0 第五章结论与展望6 l 5 1 结论6 l 5 2 展望6 2 参考文献。6 3 致谢6 8 攻读硕士学位期间主要的研究成果6 9 v 表示进w 效蒸发器原液物料体积流量，单位为m 3 h ； x o 、d o 、乙加、c o 表示原液浓度、密度、温度、比热，单位分别为g l 、t m 3 、 、k j k g 3 d f 表示i 效蒸发器进下效蒸发器的二次蒸汽流量，单位为t h ，i = 2 ，3 ，4 ； 表示f 效蒸发器进对应预热器的二次蒸汽流量，单位为t h ，i = 2 , 3 ，4 ； q f 表示第i 效蒸发器的热负荷，单位为m j h ，i = 2 ，3 ，4 ，5 ； ”一 形表示系统总蒸水量，单位为t h ； 形表示各效蒸发器蒸水量，单位为t h ，i = 2 ，3 ，4 ，5 ； 绯f 表示第穰- 女预热器的热负荷，单位为m j h ，i = 2 ，3 ，4 ； 、f 表示第i 效蒸发器出口物料的温度和比热，单位分别为、k j k g ， i = 2 ，3 ，4 ，5 ； 日“表示第f 效蒸发器出n - - 次汽热焓，单位为k j k g ，i = 2 ，3 ，4 , 5 ； t p m i 、为第i 效预热器出口物料的温度和比热，单位分别为、k j k g ， i = 2 , 3 ，4 ； 屯、4 、4 乃表示第f 效蒸发器的传热系数、传热面积、传热温差，单位分别为 v l w m 2 、m 2 、，i = 2 , 3 ，4 ，5 ； k 、如、4 砀表示第f 效预热器的传热系数、传热面积、传热温差，单位分别 为w m 2 、m 2 、，i = 2 , 3 ，4 ； 霉表示第i 效蒸发器出口二次蒸汽温度，单位为，i = 2 , 3 ，4 ，5 ； d o 、日加为新蒸汽流量和比焓，单位分别为t h 、k j k g ： 且州为第f 个冷凝水罐中汽的比焓，单位为k j k g ，i = 2 ，3 ； y 、y 2 为i i 、i i i 效蒸发器对应的冷凝水罐中的气的含量； g 、为水的比热及第i 效冷凝水罐出口冷凝水的温度，单位为，江2 ，3 ，4 ，5 ； 吩、历、砀、办分别为第f 个闪蒸器出口物料质量流量、闪蒸蒸汽量、出口 物料浓度、出口物料密度，单位分别为t h 、t h 、g l 、t m 3 ，扛1 , 2 ，3 ； 、乃分别为第f 个闪蒸器出口物料比热、温度、闪蒸蒸汽热焓、 闪蒸蒸汽温度，单位分别为l d k g 、k j k g 、，i = 1 , 2 , 3 ： e l n i3 、e l n 4 、e i n 5 分别为1 3 # 、错、5 群冷凝水罐中的蒸汽的单位j 大用，单位为l d k g ： e ，o 、e 棚、e 佰、e 1 3 ，分别为新蒸汽、入口料液、五效蒸发器出口冷凝水、3 j | j 闪蒸 器出口物料的单位火用，单位为l l k g ： 口：浓度和密度的关系系数 e 2 ，e ，3 ，e 4 ，风5 ，e ，o ：进i i 效、i i i 效、效、v 效蒸发器的蒸汽及其出 1 3 蒸汽的火用，单位为l 【j ； 2 ，3 ，4 ：从h 效、i i i 效、i v 效蒸发器分别进i i 效、i i i 效、i v 效预 热器的蒸汽的火用，单位为u ； 如l p 2 ，风2 p 3 ，瓦3 ，4 ：从l 撑、2 撑、3 撑闪蒸器分别进i i 效、i i i 效、i v 效预热器 的蒸汽的火甩，单位为l 【j ； 厶f 4 ，5 ：进效、v 效蒸发器的物料的火用，单位为u ： 2 ，瓦 p 3 ，瓦驴4 ：进i i 效、i i i 效、i v 效预热器的物料的火用，单位为k j ； l ，i 1 2 ，3 ：进l 撑、2 撑、3 闪蒸器的物料的火用，单位为l d ： v l i 瓦o ：3 # n 蒸器的出口物料的火用，单 2 ，3 ，4 ：从i i 效、i i i 蒸发器的物料的火甩，单位为l ( j ； 巴w 2 ，乜w 3 ，巴w 4 ，瓦w 5 ：从i i 效、 的火用，单位为l ( j ； 瓦2 ：4 ：从l _ 3 群冷凝水罐进入到效冷凝水罐的蒸汽的火用，单位为l 【j ； e i o 。s ：系统的总火用损失，单位为l 【j 。 v i l l 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 第一章绪论 本课题来源于中南大学信息科学与工程学院与中国铝业中州分公司合作的 “氧化铝蒸发工序优化控制技术与应用 项目。 铝是全世界消耗量仅次于钢铁的金属，在工业界被誉为万能的金属，是当今 建筑、化工、包装、军工、交通运输、电力、冶金、机械、食品、航空航天等许 多行业不可缺少的原料【l 】。铝在国民经济建设和国防工业中具有举足轻重的地位 和作用，成为现代工业化的基础。 氧化铝是冶炼铝的主要原料，铝土矿是生产氧化铝的主要原料，我国的铝土 矿资源储量虽大，但多为高硅、低铁、高铝的一水硬铝石，铝硅比低，难溶化， 品位不高，因而不得不采用流程复杂、能耗高、碱耗高的烧结法或拜耳烧结混联 法来生产氧化铝。国外氧化铝厂使用的多为三水软铝石，采用流程简单的拜耳法 即可生产【2 1 。铝土矿的先天差异造成我国氧化铝生产的能耗、材耗和生产成本远 高于其他国家，严重影响了我国氧化铝工业的发展和国际市场竞争力。 蒸发是氧化铝生产工艺的重要环节之一，担负着保持系统水平衡和碱平衡的 重任【3 】，是使母液蒸发到符合生产要求的浓度的生产工序。蒸发利用高温高压的 蒸汽使铝酸钠溶液在沸腾条件下受热，使部分水汽化为蒸汽，水的汽化需要大量 的潜热，因此蒸发是耗能很高的环节，是氧化铝生产的主要耗能工序。在蒸发工 序中，蒸汽消耗约占总汽耗的4 8 5 2 ，能耗占总能耗的2 0 - 2 5 ，成本占生 产总成本的1 0 1 2 。因此蒸发是氧化铝生产的薄弱环节，尤其是碳分母液的 蒸发，被视为生产的“瓶颈，如何降低系统蒸汽消耗，提高蒸发能力是需要不 断研究探索的问题。 能量在转换过程中具有量的守恒性和质的差异性，因此应该从量与质的结合 的基础上评价能的“价值。传统的热分析法只考虑不同质的能量在数量上的平 衡，即能量的“外部损失 ，不考虑发生不可逆过程时引起的能量损失。火用分析 法则把热力学第一和第二定律结合起来，将不同形式、不同量和质的能量统- n 做功能力下，使各种形式的能量具有可比性，不仅表明能量转换的结果，也深刻 揭示出设备能量损失的部位、数量及造成损失的原因。对蒸发系统进行火用分析， 可以揭示氧化铝生产中的用能薄弱环节，对提出节能的改进措施、降低能源消耗、 提高蒸发效率、改善环境质量、提高产品的市场竞争力具有极其重要的意义。 随着能源的日益紧张及能耗费用的逐渐增大，带有多种节能措施的复杂多效 硕十学位论文 第一章绪论 蒸发系统的应用越来越多，蒸发效率的高低直接影响氧化铝能耗和成本，因此在 火用分析的基础上对多效蒸发系统进行能耗分析和优化控制具有重要的理论和现 实意义。 因此在国家自然科学重点基金项目“面向节能降耗的有色冶金过程控制若干 理论与方法研究 ( 6 0 6 3 4 0 2 0 ) 、“数据驱动的多相交互冶金过程能耗优化方法研 究及应用”( 6 0 8 7 4 0 6 9 ) 和国家8 6 3 项目“面向海量生产数据的有色熔炼过程操作 模式智能发现技术与应用”( 2 0 0 9 a a 0 4 2 1 3 7 ) i 拘支持下，中南大学信息科学与工 程学院与中国铝业中州分公司共同进行了氧化铝蒸发过程能耗模型的研究和蒸 发过程能耗优化控制研究与应用，以期实现节能降耗，给企业带来可观的经济效 益，给社会带来显著的节能效果和环境效益，促进国民经济的发展。 1 2 火用分析法的国内外研究现状 2 0 世纪5 0 年代r a n t 将有效能、可用性等概念统一命名为火用，并于6 0 年代初把 系统可以转换的那部分能量称为火用，不能转换的那部分能量称为火无【4 】。 随着节能工作发展的需要，先是欧洲、苏联，紧跟着美国、日本及其他国家 陆续接受了r a n t 关于火甩的命名，并把火用分析法广泛用于热能动力、石油化工、 制冷、冶金等行业。1 9 7 9 年日本的龟山吉田提出了元素化学火用周期表，并收入 日本1 9 8 0 年颁布的日本工业标准“有效能评价方法的一般规则”中，利用该表 与基础热化学数据，就可以计算任何化合物和混合物的化学火用。美国及其他有关 国家已经开过有关火用分析的专题讨论会。我国也于1 9 8 1 年1 1 月召开第一届火用( 有 效能) 评价方法的学术讨论会【5 j 。 以美国的t r i b u s 、e v a n s 、g a g g i o l i 等人为代表正在逐渐形成一门“热经济学 ， 用于计算各种能流的成本费用，评价用能系统的经济效益，便于进行优化设计， 做出经济的运行操作方案的决策与选择【5 1 。华南理工大学的孙家宁【6 】等人提出了 基于能级概念的火用经济学计价策略，正确合理地对火用流计价，确定从燃料到产品 火用流的转换过程中费用形成及变化过程，实现能量的火用经济学分析和优化，把经 济学与火用分析法很好的融合到一起。 火用分析法在应用中不断发展和完善，除常规的黑箱分析法、灰箱分析法和白 箱分析法外，为深入分析和综合的需要，近几年来有人陆续在分析方法和能流模 型方面进行了研究，目前通用性较强的主要有四种【7 】：( 1 ) 杨田富雄等人创立的有 效能图法，将能量用图表示，形成节能型的改进流程；( 2 ) 石田愈等人提出的系 统结构分析法，用凹一品邯图法和焓方向因子图定量描述火用的变化过程，主要 用于对化学反应系统进行分析；( 3 ) 英国b l i n n h o o f f 等人建立和发展的以利用热 回收挟点性质为特征的l i n n h o o f f 法即挟点分析法；( 4 ) 苏联b b k a e p a p o b 等人开 2 硕士学位论文 第一章绪论 发的“热力学最佳化学工艺流程的构成法 。总之，为深入分析、评价和改进过 程，关键在于如何进行火用的分类、火用损失的分类与过程的分类。 文献【8 9 】应用挟点技术以降低能耗为目标设计黑液蒸发系统，用方程来表示 挟点技术，为制糖厂的能量综合利用提供依据；白箱模型、黑箱模型、灰箱模型 及火用经济法在制盐、蒸发工序设计和能耗分析中也得到应用，郑艳梅【lo 】等人利 用黑箱和灰箱模型对氯化铵回收三效降膜蒸发系统进行火用分析，对各效蒸发器进 行白箱模型，找到火用损失的主要设备和环节。 任承譬欠【1 1 】对蒸发冷却过程火甩转换关系进行研究，阐明湿空气火用作为蒸发冷 却潜力的合理性并对蒸发冷却方案进行火用分析，指出各种方案的适用性及合理使 用的原则，为提高火用利用率指明方向。 虽然火用分析方法在多效蒸发系统上已有应用，但没有将火用分析的结果用于优 化，参数优化也没有考虑到入口料液的温度。只是以经济效益为目标进行优化， 对用能合理性还需要进一步分析，特别是为节约能源就必须将火甩评价方法与优化 目标结合起来。 ：r 1 3 多效蒸发能耗优化的国内外研究现状 多效蒸发系统通常有并流、逆流、平流、混流四种流程。常用的节能措施有 冷凝水闪蒸、溶液闪蒸、引出额外蒸汽预热原料液等。冷凝水闪蒸是将上一效的 蒸汽冷凝液通过减压闪蒸作为本效或下一效的加热蒸汽。冷凝液般是温度较高 的饱和液，冷凝水闪蒸充分利用了该能量，节约了加热蒸汽，应用最为广泛，几 乎对任何蒸发流程都适用，节能效果显著。 文献 1 2 1 4 在并流多效蒸发系统中采用冷凝水闪蒸，文献 1 5 在复杂逆流 多效蒸发中采用冷凝水闪蒸，文献 1 6 在平流多效蒸发中采用冷凝水闪蒸。 多效蒸发作为化工、冶金、海水淡化等领域常见的单元操作之一，一直以来 都有研究报道，随着计算机的发展和普及，各种辅助计算和设计软件层出不穷， 提高了优化问题的解决速度，使复杂工业流程的优化成为可能，使多效蒸发的优 化成为研究热点。 王培进【1 7 】等人研究混流、逆流、并流蒸发系统的优化设计，将其流程用距 阵形式描述，对建立通用的多效蒸发优化设计模型起很大作用。 k u r b a n i e c t t s 】等研究糖厂多效蒸发工艺的结构特征及结构建立的依据，即热 能利用率最大蒸汽消耗量最小。d u l t i i u sk a y a 1 9 】等研究普通型和带原料预热的顺 流、逆流和平流的多效蒸发系统，发现带原料预热的逆流多效蒸发系统蒸汽消耗 量最小，普通型并流多效蒸发系统蒸汽消耗量最大。 刘晓华1 2 0 1 等用等温差分配法和等面积分配法对多效蒸发系统进行模拟，以 硕士学位论文第一章绪论 系统总传热火用损最小为目标进行优化，但没考虑预热器大用损及外部火用损的影响， 设计模型没有涉及操作参数优化问题。 h i s h a mt 【2 l 】等人研究并流、顺流多效蒸发系统的结构特征，在考虑热损失、 温差损失和溶液闪蒸等基础上建立模型，为系统优化奠定基础。 王世昌掣矧对塔式多效蒸发海水淡化系统的进料状况进行优化研究。 阮奇等对并流、逆流、平流以及是否有节能技术、固相析出等复杂多效蒸发 的优化设计问题进行研究，发表了一系列的特色文章【1 2 1 5 2 3 2 5 1 。 国内优化设计的研究主要偏向于设计优化，对操作型问题研究很少，国外对 操作型问题的研究主要侧重于过程模拟与实时控制。k r z y s z t o fp a t a n 2 6 】等对糖厂 多效蒸发进行控制；s l i s s a n ee l h a q t 2 7 】等对五效并流多效蒸发进行模拟设计、验 证和实时控制；f r o u s e t 2 8 】研究多效蒸发系统的自动控制；az d r a v k o v i c t 2 9 - 3 0 等 对多效蒸发的模拟和控制进行研究：a j e r n q v i s t a 3 i 】等研究脱盐多效蒸发的模拟 和控制。 总之，国内外对多效蒸发的研究逐渐增多，但主要集中海水、淡碱液、碳酸 钾蒸发工序上，对铝酸钠蒸发工序的优化研究还很少；对并流多效蒸发的研究较 多，逆流、平流多效蒸发的研究较少；对没有考虑或只考虑一个节能措施的简单 多效蒸发流程居多，而考虑多种节能措施的复杂多效蒸发究较少。 1 4 优化方法的国内外研究现状 由于蒸发工序的来料和出料受上下游工序、设备操作等的影响和限制，优化 模型是一个带约束的、复杂的非线性模型。多流程多种节能措施使得本来过程就 不简单的多效蒸发系统变得更加的复杂。 求解优化模型的常规方法有迭代法结合矩阵法、复合形法、拉格朗日乘子法 g u a s s s e i d e l 迭代法或n e w t o nl a p h s o n 法等。姜莹【3 2 】等人利用g u a s s s e i d e l 迭代 法对多效并流蒸发模型进行求解。梁剧3 3 】等人利用复形调优法求解多效并流蒸 发系统模型中的非线性规划。李珊瞰】通过构造拉格朗r 函数求解系统的最佳热 力学参数以及相应的新蒸汽用量和传热面积。阮奇等人在文献 1 2 】中提出了迭代 法结合矩阵法来求解衡算方程，收敛速度快，稳定性好；在文献 1 5 ，2 3 】中提出 复合形法结合拉格朗日乘子法和矩阵法求解模型。h i s h a mt 【1 6 】等人用牛顿迭代法 求解平流多效蒸发模型中的非线性方程组。 常规优化方法求解时需反复迭代，计算过程冗长、繁杂、不易收敛，全局寻 优能力差，算法效率低。对于多变量、多峰多谷、多维、高度非线性等复杂的优 化问题，常规的优化方法在求解所用时间和解的精度方面不令人满意，现代优化 方法应运而生，主要有遗传算法、差分进化算法、粒子群算法、模拟退火法、蚁 4 硕士学位论文第一章绪论 群算法等等。这类算法已经被广大学者运用，并取得不错的研究成果。 黄永春【3 5 】等采用遗传算法对糖厂的五效并流多效蒸发系统进行优化；杨春 松【3 6 】等提出了一种混合算法，在遗传算法基础上对交叉算子进行改进，将模拟 退火法与变异算子结合形成模拟变异算子，并使用精英保留策略和进化策略的自 适应搜索特性，得到不错的效果。王雅琳【37 】等采用粒子群算法对生料浆调配进 行多目标满意优化，针对粒子群算法早熟收敛的问题进行改进，引入收敛率和进 化率自适应动态改变惯性权值非线性下降，保证算法的寻优精度和收敛速度。 b v b a b u 3 8 】等对差分进化算法在收敛速度方面进行改进，将其应用于非线性化 学过程的优化问题中；r o g e rg a m p e r l e ”】等人对差分进化算法的参数设置问题进 行探讨；j o u n il a m p i n e n l 4 0 】通过改变变异操作方式提出三角变异差分进化算法； 谢晓峰】等研究差分进化算法的参数设置问题，提出了简化的差分进化算法， 减少了需调整的参数；罗中良【4 2 】等针对混合差分算法中突变运算的不同选择会 造成结果差异很大，使用蚁群算法进行适当的突变运算，使收敛加速。 1 5 论文主要研究内容及结构安排 氧化铝蒸发过程流程长，影响能耗的参数多，且各参数之间耦合性严重，难 以进行最优控制，造成氧化铝生产汽耗高、能耗高、成本高。论文在深入研究能 量传递和消耗机理基础上，结合生产实践中大量的运行数据，以建立系统各设备 二次汽产出量和出口料液浓度为研究目的，根据物料平衡、能量平衡、相平衡和 传热速率方程建立蒸发过程机理模型。在此基础上采用黑箱、白箱和灰箱分析法 对蒸发过程进行炯分析，找到蒸发过程的主要能耗环节和主要原因，并以火用损比 最小为目标建立优化模型，选用差分进化算法对其进行求解。针对差分进化算法 的缺陷对其进行改进，用标准函数对改进差分进化算法进行测试，验证了其可行 性，用改进算法对蒸发优化模型求解，实现氧化铝蒸发过程的能耗优化。 论文总共分五章进行论述，各章内容如下： 第一章绪论。阐述了项目来源及研究意义，介绍了娴分析法的国内外研究现 状，阐述了多效蒸发能耗优化的国内外研究现状和优化方法的国内外研究现状， 提出了本论文的研究内容。 第二章氧化铝四效逆流降膜式蒸发工艺与机理分析。介绍了蒸发原理、多效 蒸发常见流程及其优缺点、氧化铝四效逆流降膜式蒸发工艺流程及用到的主要设 备( 蒸发器、预热器、闪蒸器、冷凝水罐) ，重点分析了管式降膜蒸发器蒸发器的 结构特点和工作原理。对蒸发机理进行研究，在物料平衡、能量平衡、相平衡和 传热速率方程基础上建立了各单元设备的数学模型。 第三章基于火用的蒸发过程能耗分析。阐述了火用分析的必要性，介绍了火用的基 5 硕士学位论文第一章绪论 本知识，包括火用的定义、火用值的计算、火用的评价指标及火甩分析的常见方法，分析 蒸发过程的内部火用损和外部火用损，最后用三箱模型分析法分别对整个蒸发系统和 各单元设备进行火用分析，找到能耗的主要设备和主要原因。 第四章基于改进差分进化算法的蒸发过程能耗优化。在对影响蒸发系统能耗 的因素的综合分析的基础上确定新蒸汽压力、末效真空度、原液温度、原液流量 及进四效原液流量为优化变量，以出口苛碱浓度、设备的生产能力等实际生产过 程为约束条件，以火用损比最小为优化目标，建立蒸发过程的优化模型。提出用差 分进化算法对其求解，针对其缺陷对其进行改进，然后通过四个b e n c h m a r k s 函 数对改进差分进化算法进行测试，结果表明改进差分进化算法有较好的收敛性和 较高的精度，最后用改进差分进化算法应用于蒸发过程能耗优化模型的求解，得 到蒸发过程能耗优化方案，并研究了各优化变量对优化目标的影响，给生产人员 的操作提供了指导。 第五章结论与展望。对论文所做的研究工作和内容进行了归纳总结，并在论 文所做工作和研究的基础上，指出下一步可进行的工作。 6 硕士学位论文第二章氧化铝四效逆流降膜式蒸发工艺与机理分析 第二章氧化铝四效逆流降膜式蒸发工艺与机理分析 蒸发是浓缩溶液的操作。工业中遇到的溶液多数以水为溶剂，汽化得到的水 蒸气，除了用来加热介质、回收热量外，一般不回收使用。完整的蒸发系统包括 蒸发器、闪蒸器、预热器、泵、冷凝器以及真空装置等。 2 1 蒸发原理 蒸发是液体表面汽化的过程，在工业生产中，一般需要加热，可以在低于沸 点时蒸发，也可以在沸点时进行沸腾蒸发。蒸发是使含有不挥发性溶质的溶液沸 腾汽化并移出蒸汽从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作，属于壁面两侧流体均 有相变的恒温传热过程。 蒸发过程中，加热蒸汽的温度远高于被蒸发液体的沸点，蒸汽凝结成水放出 热量，热量通过加热管壁传递给被加热溶液，溶液受热温度升高，达到沸点时水 剧烈汽化。若不及时排除这些蒸汽，汽化生成的蒸汽压力与溶剂蒸汽压力相等时， 汽化停止，蒸发无法进行。为使蒸发过程不断进行，要不断地供给热能，并且不 断排除汽化生成的蒸汽。蒸发速度取决于多种因素，加热或增大液体的蒸发表面 积都会提高蒸发速度；蒸汽浓度过高会减慢蒸发速度，因此促进气体流动，带走 已蒸发的气体，可加快蒸发速度。 不同的液体沸点不同，有的液体在沸点或低于沸点时会氧化或分解，需要进 行真空蒸发( 减压蒸发) 。工业生产中一般都是采用真空蒸发设备来完成蒸发作业 的。将多效蒸发的末效二次汽导入冷凝器，蒸汽被冷凝后，体积缩小，系统中出 现真空，但是和蒸汽一起进入冷凝器的还有从蒸发溶液中放出的空气、冷凝水中 分离出来的空气和由于设备、管道等密封不严而漏入的空气及其他不凝性气体。 因此必须用真空泵不断地排除不凝性气体以形成真空。所以系统的真空需要借助 真空泵和冷凝器才能达到的。 真空蒸发是利用真空降低溶液的沸点，加大有效温差，使蒸发在真空下完成， 降低蒸汽消耗，提高蒸发效率，真空蒸发有如下优点： ( 1 ) 减压降低溶液沸点，增大有效温差，增加蒸发器的传热推动力； ( 2 ) 减少加热器的热损失： ( 3 ) 适用于不高温的溶液和热敏性溶液； ( 4 ) 可在较低的蒸汽压力下完成多效蒸发。 真空蒸发的缺点是溶液沸点降低粘度增大，对传热不利，系统中的不凝性气 7 硕士学位论文第二章氧化铝四效逆流降膜式蒸发工艺与机理分析 体须用真空泵抽出，增大能量消耗。 2 2 多效蒸发系统常见流程 多效蒸发是过程工业最常见的操作单元之一，广泛应用于医药、化工、食品、 冶金、海水淡化等行业中。它将加热蒸汽引入一蒸发器，液体受热沸腾，产生的 二次汽压力与温度都比原加热蒸汽低，将二次汽通入后一效蒸发器的加热室作为 其加热蒸汽，只要后一效的加热室压力和溶液沸点比上一效的低，该二次汽就能 起到加热作用，此时第二个蒸发器的加热室便是第一个蒸发器的冷凝器，此即多 效蒸发的原理。将多个蒸发器这样连接起来即组成多效蒸发系统。通入新蒸汽的 蒸发器称为第一效，利用其二次汽加热的称为第二效，依次类推【4 3 1 。 多效蒸发充分利用各效二次汽的汽化潜热，减少新蒸汽的消耗，提高蒸发的 经济性。为合理利用有效温差，根据处理物料的性质和出口浓度的要求，通常多 效蒸发可分为下列三种操作流程。 ( 1 ) 并流多效蒸发 并流多效蒸发流程如图2 1 所示。其优点是：料液可借相邻两效的压强差自 动流入后一效，不需用泵输送，同时由于前一效的沸点比后一效的高，因此当物 料进入后一效时，会产生自蒸发，可多蒸出部分水汽，各效间不需要设预热器。 这种流程辅助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度损失较小；装置的操作简便， 工艺稳定，设备维修工作少，是应用最多的流程。其主要缺点是传热系数会下降， 这是因为后序各效的浓度会逐渐增高，但沸点反而逐渐降低，导致溶液粘度逐渐 增大。 去冷凝罨 一一 ， 原料液 i 一 _ _ 加热蒸汽 l 一 t 丫4t v 完成液 料液蒸汽 图2 - 1 并流多效蒸发流程示意图 ( 2 ) 逆流多效蒸发 逆流多效蒸发流程图如图2 2 所示。其优点是：各效浓度和温度对溶液的粘 度的影响大致可抵消，各效的传热条件大致相同，即传热系数大致相同。缺点是： 料液输送必须用泵，浓缩液出料温度过高时，还需增设冷却器；操作复杂，工艺 8 硕十学位论文第二章氧化铝四效逆流降膜式蒸发t 艺与机理分析 条件