（化工过程机械专业论文）多郊蒸发分离过程的节能优化与控制.pdf

摘要 摘要 在化工行业中，我国单位产值的能源消耗量比发达国家要高很多，其主要 原因就在于分离过程的能耗远高于发达国家。蒸发操作即为分离过程，其耗能 大，并伴随着二次蒸汽的产出，所以自上世纪7 0 年代的能源危机以来，对蒸发 操作中节能优化和有效控制的研究成为重中之重。 本文基于a s p e np l u s 软件对蒸发系统进行了数值模拟研究。分别分析进口 流量、各效压力和温度等参数的变化对蒸发性能的影响，在其他参数一定的条 件下，模拟出操作参数变化对系统性能影响的变化规律。同时，建立了三种不 同结构的三效蒸发系统模型，研究比较不同工况下每种工艺的能耗大小，得出 带预热的多入口结构蒸发系统比基本蒸发系统节能约9 3 ，而带预热的单入口 结构蒸发系统比基本蒸发系统节能达到约1 2 。为了满足出口完成液浓度达到 工艺要求，分别在不同体积分数的条件下对系统进行模拟，得出最佳体积分数 值，基于此体积分数下对各效温度、压力参数进行优化，最终计算得出系统能 耗最小时各参数的设定情况，为实际生产中蒸发系统的设计提供了一定参考。 基于动力学模拟，本文以海水淡化多效蒸发过程为工业背景，对三效蒸发 分离过程操作变量变化影响进行了灵敏度分析，明确了其主要控制参数，通过 这些参数控制来实现对产品品质参数浓盐水的浓度和产水量的间接控制。通过 控制效果和干扰影响的仿真模拟研究，证明了本文提出的控制结构和控制策略 符合工艺控制要求，且具有良好的抗外界干扰能力，通过控制蒸发罐的t b t 、 压力和液位能精确有效的间接控制蒸发分离过程的浓度等过程生产品质指标。 关键词：a s p e np l u s ；多效蒸发；建模；p i d 控制；流程模拟 a b s t r a c t i nt h ec h e m i c a li n d u s t r y ，t h e e n e r g yc o n s u m p t i o np e ru n i to fo 咖u t 访o u r c o u n 仃yl sm u c hh i g h e rt h a ni n d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，t h em a i nr e a s o ni s 愤l a tm e e n e r g yc o n s u m p t i o no ft h es e p a r a t i o n p r o c e s si sf a rh i g h e rt h a nt h e d e v e l o p e d c o 嘶e s t h e o p e r a t i o no fe v a p o r a t i o n ，w h i c hi se n e r g yi n t e n s i v et o g e t h e r 晰mm e s e c o n d a r ys t e 锄p r o d u c t i o n ，i st h es e p a r a t i o np r o c e s s ，s os i n c et h ee n e r g yc r i s i si n t h e19 7 0 s ，i ti st h et o pp r i o r i t yt h a ti s t h er e s e a r c ho nt h ee n e r g yo p t i m i z i n ga n d e f f e c t i v ec o n t r o lo ft h eo p e r a t i o no f e v a p o r a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ee v a p o r a t i o ns y s t e mi s s i m u l a t e db a s e do nt h ea s p e np i u s s o 黼a r e r e s u l t st h e i n f l u e n c eo ff l o w r a t e ，t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e so ft h e e v 印o r a ：t i n gp e r f o r m a n c e ，u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ec o n s t a n to m e rp 啪e t e r s ，t 1 1 e c h a n g er u l e so nt h ei n f l u e n c eo ft h eo p e r a t i o np a r a m e t e r sc h a n g e sa r e s i m u l a t e d a t t h e s 锄e t i m e ，i t s e t su pt h r e es y s t e mm o d e l so ft h r e e e f f e c te v a p o r a t i o n 谢协 d 1 龅n ts t r u c t u r e ，a n dc o n t r a s tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n o fe a c hc o 施g u l a t i o ni nt h e m 壮e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h i s p a p e rc o n c l u d e dt h a tm u l t i p l e e n l 巧p r e h e a t e d s y s t e m sc a l lb ee n e r g y e f f i c i e n tt h a nt h ee v a p o r a t i o ns y s t e r ni ng e n e r a la b o u t 9 3 a n dt h es l n 9 1 ee n t r yp r e h e a t e dc o u l ds a v e 12 i no r d e rt om e e tt h et e c h n 0 1 0 9 i c a l r e q m r e m e n t so ft h ec o n s i s t e n c eo fa c c o m p l i s h e dl i q u i d ，t h ep a p e ro b t a i n t h eb e s t v 8 j u eo 士v o l u m ef r a c t i o nt h r o u g ht h es i m u l a t i o n m o d e lw i t hd i 航r e n tc o n c e n 仃a t i o n s m e ne a c he f f e c tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ep a r a m e t e r h a sb e e no p t i m i z e d ，f i n 2 l l l ve a c h p a r a m e t e rl sw o r k e do u tw h e nt h e e n e r g yc o n s u m p t i o ni sm i n i m 4t h er e s u l t s p r o v l d e ss o m er e f e r e n c e sf o rt h e e v a p o r a t i o ns y s t e m d e s i g n e d i n p r a c t i c a j p r o d u c t i o n 一b a s e do nt 1 1 e d y n a m i c ss i m u l a t i o n ，i nt h ei n d u s t r yb a c k 黟o u i l do fs e a w a t e r d e s a l m a t l o nm u l t i 。e f f e c te v a p o r a t i o n p r o c e s s ，as e n s i t i v i t ) ra n a l y s i st 1 1 ee f f e c t so f v a n o u so p e r a t i n gv a r i a b l e so nt h r e ee f f e c t e v a p o r a t i o ns e p a r a t i o np r o c e s s e sw e r e m a d emt 1 1 i s p a p e r a n dt h em a i nc o n t r o lp a r a m e t e r sa r e d e f i n i t e ，t h r o u g ht 1 1 e s e p 锄m e t e r s ，i tc o u l dr e a l i z et h a tt h ei n d i r e c tc o n t r o lo fp r o d u c tq 砌i t yp a r 姗e t e r so f i 】 a b s t r a c t t h ec o n c e n t r a t e db r i n ec o n c e n t r a t i o na n dt h ew a t e r p r o d u c t i o na r e c o n t r o l l e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h ec o n t r o le f f e c ta n dt h ei n t e r f e r e n c e ，i ti s p r o v e dt h a tt h ec o n t r o l s t r u c t u r ea n dc o n t r o l s t r a t e g ym e e tt h er e q u i r e m e n to f t e c h n o l o g yc o n t r o l ，a n di th a st h eg o o df u n c t i o no fa n t i i n t e r f e r e n c e ，t h ei n d i r e c t c o n t r o lo ft h eq u a l i t yi n d e xo ne v a p o r a t i o no ft h es e p a r a t i o np r o c e s sc o n c e n t r a t i o n u n d e rt h ec o n t r o l l e dt h ee v a p o r a t e dp o tt b t ，p r e s s u r ea n dl i q u i dl e v e li sa c c u r a t e a n de 任e c t i v e k e y w o r d ：a s p e np l u s ；m u l t i - e f f e c te v a p o r a t i o n ；m o d e l i n g ；p i dc o n t r o l ；p r o c e s s f l o ws i m u l a t i o n i i i 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 蒸发是指含有不挥发性溶质的溶液在受热沸腾的情况下，使得部分溶剂汽 化的一个过程。在化工过程工业中，蒸发操作是普遍的分离过程，其广泛地应 用在石油、化工、医药、环保及食品等领域，有着上百年的发展历史。 随着社会的发展，节能环保日益成为人们关注的焦点。在化工行业中，我 国单位产值的能源消耗量比发达国家要高很多，其主要原因就在于分离过程的 能耗远高于发达国家。蒸发操作即为分离过程，其耗能大，并伴随着二次蒸汽 的产出，所以白上世纪7 0 年代的能源危机以来，对蒸发操作中节能的研究成为 重中之重。为了提高能量的利用率，降低蒸发过程中的能量消耗，设计出节能 型的蒸发装置，对降低我国单位产值的能耗，缩短和国外先进水平的差距有非 常重要的作用【4 9 】。因此，对蒸发工段优化与控制的研究意义重大，其不仅能给 蒸发工段的工艺设计提供一定的理论依据，还可以为制定优化操作方案和控制 系统的设计方案提供基础。在保证末效出口浓度达到工艺要求的同时，对蒸发 工段进行有效的控制，可以减少能量的消耗，显著提高经济效益。 工业生产中蒸发操作主要分为多效蒸发和多级闪蒸，两者基本要求都是要 确保出口的溶液浓度一定，同时热能的不间断供应和生成蒸汽的不间断排除， 因为如果生成的蒸汽不能及时去除，会导致溶液和蒸汽之间逐渐趋于平衡，从 而使汽化不能进行。提供热源的通常都是水蒸气，而从溶液中蒸发出来的溶剂 也一般都是水蒸气，所以为了加以区分，作为热源的蒸汽称为生蒸汽或者加热 蒸汽，蒸发所得的蒸汽称为二次蒸汽。如果将二次蒸汽直接送入冷凝器去除， 则称作单效蒸发，但为了提高工段的热利用率，可以将多个蒸发装置串联，用 得到的二次蒸汽作为加热源，起到多效的作用【50 l 。多级闪蒸具有成熟的工艺流 程，且维护费用较小、易于大型化、设备简单可靠，同时使用寿命长，热效率 比较高【1 ，羽。多效蒸发则具有能耗低、结垢和腐蚀现象较减缓、维护费用小等优 点，但其设备体积较大，传热系数低，装置费用高，因此提高传热系数是比较 困难的。 第一章绪论 本课题就蒸发过程的特点，以能耗最小为主要目标，通过a s p e np l u s 过程 模拟软件建立蒸发工段的流程模型，并模拟得出其能耗最优的系统结构和各参 数设定情况，同时采用p i d 控制对其系统进行控制，提出一套完整的控制方案， 通过控制效果和干扰影响的仿真模拟研究，证明了本文提出的控制结构和控制 策略符合工艺控制要求，且具有良好的抗外界干扰能力，通过控制蒸发罐的 t b t 、压力和液位能精确有效的间接控制蒸发分离过程的浓度等过程生产品质 指标。 1 2 蒸发工段优化与控制的研究现状 1 2 1 国内、国外蒸发工段建模及优化研究现状 李德虎、李培宁、琚定一【3 j 等建立了包含预热、闪蒸以及抽汽的复杂五效 蒸发系统的数学模型。通过四种直接解非线性方程组的方法和试差法，全面系 统地对多效蒸发的模拟进行了研究分析，并进行了五效蒸发系统的优化研究， 指出了各方法优化的可行性。 施有铸、陈宗海、鲍元律【4 j 等为了描述多效蒸发系统变化的全过程，将多 效蒸发系统静态数学模型进行动态离散化，然后通过拟合得到参数间的变化关 系，其处理方法虽然可行，但过于理想化，在有料液预热、冷凝水闪蒸等实际 工况的影响下，未必能达到理想的效果。 王培进、周作伸【5 】等对复杂多效蒸发系统的优化设计作了深入的探讨和研 究，通过矩阵的形式描述蒸发系统的流程，为以后多效蒸发的设计优化奠定了 基础。 谭学富、王红心、秦忠顺1 6 等以三效并流蒸发过程为例，通过多元线性方 程组的严格b r o y d e n 法对其进行模拟计算，最终得到理想的计算结果，证实该 计算方法提高了计算质量，切实可行。 a h m e dm h e l a l 7 1 等分析了贯流型多级闪蒸( o t - m s f ) 的可行性，并与传 统盐水循环多级闪蒸( b r - m s f ) 比较，得出当级数在4 0 级以上的时候，贯流 型多级闪蒸才占有优势。同时，作者对这两种结构从总换热面积对投资费用的 影响进行分析比较，结果表明，在操作条件相同的情况下，贯流型多级闪蒸比 传统盐水循环多级闪蒸需要更多的换热面积，但其化学处理费用仅仅为传统盐 2 第一章绪论 水循环多级闪蒸的7 0 。因此，文章经过综合考虑，阐述了贯流型多级闪蒸技 术在未来的大型多级闪蒸工况中应用的可行性。 s e r g i oe m u s s a t i 8 1 0 】建立的多级闪蒸系统数学模型并进行了优化，研究分析 了蒸汽用量、闪蒸室长度和级数等因素对造水费用的影响，同时还对带有混合 器的( m m s f ) 和贯流型( o t - m s f ) 两种多级闪蒸结构的蒸发效率进行研究 分析【1 l 】，结论表明，选用的多级闪蒸装置、进料海水浓度以及顶温等因素都很 大程度地影响这两种结构的蒸发效率，这为降低淡化成本和改进多级闪蒸系统 结构提供了一定的依据。 m ds o w g a t ht a n v i r 1 2 】等应用g p r o m s 软件，对混合整数的非线性( m i n l p ) 模型进行求解，以吨水费用最低作为目标函数，在规定进料海水温度的条件下 对多级闪蒸系统进行了优化。结果表明，顶温采用较低操作时，能够大大降低 设计和操作费用，同时可以减少结垢现象。m s t a a n v i r l l 3 则在m ds o w g a t h t a n v i r 的基础上引进了( 0 ，1 ) 变量，对每个单元和整体都分别建立了更为严格的 数学模型，将投资费用、泵的能耗和蒸汽费用考虑在操作费用之中，在同样的 混合整数非线性模型的基础上，得到了与实际更为贴近的结果。 n i c o l a ss c e i u l a 【1 4 】等建立了带有盐水循环多级闪蒸( m s f m ) 系统的m i n l p 数学模型，并且以最少的年费为优化目标，依据吨水产量来定义系统的有效性。 文章利用g a m s 软件进行求解，计算结果表明，保养维修费用和过程操作费用 对产水量有比较大的影响。 m o h a m e da b d u l j a w a d 1 5 】对a h m e dm h e l a l 建立的模型进行了改进，加入了 一个混合器。文章以不同淡水容量下的最大造水比为优化目标，建立数学模型 后利用m i c r o s o f te x c e l 求解，研究结果表明，装置的性能比随着进料海水温度 的升高而增大。 郭晓洁、包桂莲【1 6 】等建立了模拟糖厂蒸发系统的数学模型，不过其默认加 热蒸汽为饱和蒸汽，且加热后全部冷凝，同时静压引起的溶液沸点升高和管道 的温度损失也进行理想化处理。所以虽然其思想是应用计算机进行分析设计， 但与实际系统会存在一定的误差。 吴刚、陈宗海、薛美盛【1 7 】等通过对热力学原理的利用，建立了多效蒸发系 统的动态仿真模型，通过a t l o o pp i d 自动整定软件对多效蒸发工艺中关键参数 液位、压力、蒸发量、温度等进行了有效的稳定控制，达到了良好的节能优化 效果。 第一章绪论 h i s h a mt e l d e s s o n k y 1 8 等对并流多效蒸发系统和混流多效蒸发系统分别 进行了建模，通过分析对比得出，混流多效蒸发系统的特性相对并流多效蒸发 系统较好，但是后者更：易设计和控制，而且有着类似的特性，并流多效蒸发系 统对于有结晶析出的料液蒸发有很好的效果。 阮奇、黄诗煌、叶长粲、陈文波【1 9 】建立了带冷凝水闪蒸的并流多效蒸发系 统模型，该新型优化设计的模型以系统的年总费用为最小优化目标，提出一种 迭代法结合矩阵法求最优解的新型算法。算例表明，该算法对初值要求不高、 稳定性好、收敛速度快，比常规优化设计节省1 6 左右的年费，达到了显著的 节能减耗效果。 冯东亮、刘禾、白焰、万良虹 2 0 l 等通过机理建模建立了双效蒸发系统数学 模型，该模型普遍适用二于一般的多效蒸发器液位建模。文章阐述了系统的半实 物仿真设计，应用计算机以及相应数据采集模件对系统进行了物理实现。 徐建良、陈晓祥【2 l 】等建立了复杂并流蒸发系统的数学模型，经模拟计算发 现，生蒸汽的消耗量随着进料温度提高而逐渐减少，而其他参数波动不大。根 据此特点，作者提出一种新型计算方法，该方法采用常规迭代法求解。文章通 过对碱液三效并流蒸发二 艺的五种流程进行计算比较，确定了该方法的可行性。 k u r b a n i e c 2 2 等从热能利用率最大、蒸汽消耗量最小的目标出发，讨论了 糖厂多效蒸发工艺中蒸发效数、流程安排、各效传热面积等结构特征的建立条 件和依据。文章介绍了国外多效蒸发工艺的发展，指出五效带原料预热的多效 蒸发系统为发展主流。 周巍、胡绍) lf t 2 3 j 等对热平衡理论进行了介绍和阐述，并在此基础上建立了 蒸发系统的能耗计算方程。可是文章没有考虑中间抽汽，因此，方程不适用于 将二次蒸汽作为系统之外加热热源的系统。 姜莹、许中侠【2 4 】提出了一种新的并流多效蒸发过程模拟以及优化方法，该 方法基于g l m s s s e i d e l 迭代法，文章通过并流三效蒸发过程的实例计算，得出 该方法切实可行，而且稳定性好、收敛速度快、对初始值要求不高。 刘晓华、沈胜强、k l a u sg e n t h n e r 、蒋春龙【2 5 】等分别以等面积分配法和等温 差分配法对九效竖管降膜多效蒸发海水淡化系统进行模拟计算，在相同的参数 和工况下，计算结果相差不大，等面积分配法得到的蒸发器总面积比等温差分 配法得到的蒸发器总面积略大，等温差分配法所需加热生蒸汽量比等面积分配 法所需要的加热生蒸汽量略多。文章以系统总传热损失最小为优化目标，对系 4 第一章绪论 统进行了优化计算，并且与等面积分配法的结果进行比较，得出比等面积分配 法传热面积节省2 0 3 ，加热生蒸汽量节省3 3 的理想数据，证实此方法能有 效降低海水淡化多效蒸发系统的成本。 d u r m u sk a y a 2 6 】等对多效蒸发系统的不同数学模型进行比较研究，以蒸汽消 耗量为能耗评判标准，得出带原料预热的逆流多效蒸发系统能耗最小，而普通 并流多效蒸发系统能耗最大。 j s p r o s t ，m t g o n z u l e z 和m j u r b i c a i n 2 7 】等通过对单效蒸发器传 热参数在不同条件下的研究，得到多效蒸发器中传递系数的相互关系。作者改 变进料压力和浓度，分别模拟出多效蒸发中各效蒸发单元，将流体物性、流量、 传热系数和几何参数通过方程联系起来。 1 2 2 国内、国外蒸发工段自动控制研究现状 仇振岳、陈晓波、王安娜、余强【2 8 j 等人针对蒸发系统各效液位问的相互影 响提出了一种新的智能控制算法。此算法控制规则依据两级映射关系，通过选 择控制目标和在线识别特征变量实现最优控制。仿真实践表明，该算法很好的 解决了虚假液位等控制问题，有较强的适应性和抗干扰能力。 吴刚、薛美盛、张志刚、孙德敏 2 9 】等介绍了一套p i d 自整定软件，该软件 基于相关系数辨识法，能使多效蒸发系统稳定运行。文章以丙烯腈装置四效蒸 发系统为例，优化整定其常规p i d 控制参数，最终取得不错的控制效果。 陈金水、王慧、孙优贤【3 0 】等阐述了传统的控制方案，并提出了一种以进料 流量为调节变量而不是加热蒸汽压力的新型预测控制方法。该方法采用p 前馈+ 浓度c 的闭环反馈，在对黑液多效蒸发系统的控制实例中取得了良好的控制效 果，且系统稳定。 s l i s s a n ee l h a q 3 1 】等为了解决糖厂多效蒸发过程中蒸汽消耗量较大、糖汁 浓度达不到要求等问题，针对蒸发工艺大滞后、干扰强、约束条件多的特点， 建立了一个可描述系统动态行为的实时多变量广义预测模型，此模型的控制参 数是基于系统的物理模型，能够达到很好的控制效果。 m b e n n e 3 2 】等阐述了多效蒸发过程的滞后性和非线性，用传统的控制系统 很难达到较好的动态控制效果。因此，作者提出一种新型模型预测控制方法， 该方法基于神经网络模型，经仿真表明这种方法确实能够取得很好的控制效果。 第一章绪论 袁向阳、施颂椒【3 3 1 阐述了自校正控制是渐近最优控制技术，但在实际工业 生产中，当被控对象的动态特性发生较大较快的变化时，自校正过程可能会导 致系统的暂态特性达不到工艺要求，所以对控制的暂态特性的研究刻不容缓。 为了解决这个技术难题，作者在自校正控制的基础上提出一种改进的新型多模 型自校正控制算法，并在对醋酸蒸发的液位控制实例中取得了较为优越的仿真 结果。 陆中全、凌炯江【3 4 】在氧化铝厂多效蒸发液位控制的实例中，用变频器取代 气动阀来实现p i d 参数的整定。虽然改造后的控制质量不如之前，但不断优化 p i d 参数后，系统的稳定性和连续生产性得到了加强，同时对节能减耗有重大 的意义。 李艳、李明辉【3 5 j 采用串级控制策略来解决碱回收多效蒸发工艺中出效黑液 浓度的控制难题。文章以生蒸汽流量作为副控变量，黑液浓度作为主控变量， 并分别将其调节回路组成串级调节系统，该系统将浓度调节回路计算的结果作 为蒸汽流量调节回路的设定值，通过改变蒸汽流量使得黑液浓度不断变化从而 达到设定值，同时具有响应速度快，控制精度高等优点。 章志兵、黄挚雄、罗安【3 6 】针对中药生产多效蒸发工段难以精确建模的特点， 提出一种模糊智能p i d 控制算法，此算法通过调节阀、开关阀对蒸发工段中的 压力、液位、温度等进行精确控制。文章用传统算法和该算法进行仿真对比， 结果表明该算法比传统算法响应速度快，超调量小，控制精度更高，同时还具 有自调整性，能有效地应用于多效蒸发工段的多种对象和过程。 何伟，罗安，龙丽妲，徐先勇【了7 】等建立了多模型预测控制器，针对中药浓 缩生产过程中的不同工序能够利用模糊监督器选择适当的控制器。通过神经网 络的系统辨识，把耦合系统的控制变化率当做输入，可以很好地消除相互间的 耦合程度。实践表明，其方法确实能提高生产的精确性和稳定性，有较好的控 制效果。 王永刚、柴天佑【3 驯针对多效蒸发系统的非线性、强耦合、多变量等特点， 提出一种非线性模型预测控制方法，同时利用遗传算法将输出变量的约束加到 目标函数中，从而保障求出的控制量切实可行。文章通过质量守恒和能量守恒 方程在系统的稳态工作点建立了动态模型，并将非线性模型预测控制和常规 p i d 控制分别应用于此模型进行研究比较，结果表明，非线性模型预测控制具 有较好的控制性能，节能减耗方面也明显优于常规p i d 控制。 6 第一章绪论 李春玲、何小阳【3 9 】建立了多效蒸发系统的人工神经网络模型，并通过其输 入输出信息在线导出伪偏导数，利用伪偏导数的向量，作者提出一种无模型自 适应控制方法，此方法的仿真结果表明，其对具有强非线性、大时滞的多效蒸 发系统非常适用，比常规p i d 控制的响应速度更快、抗干扰性更强，并且算法 简单，容易实现。 李凤宇、张大发、王少明、崔长领、刘颖【4 0 】针对蒸汽发生器是一个非最小 相位系统的特点，提出了一种整定p i d 控制器的遗传算法，仿真结果表明对水 位控制有较好的效果。 何维凯【4 1 】阐述了系统喷水量的控制是蒸发冷却器温度控制的关键，针对这 一特点，文章提出一种串级p i d 控制方法，其有主、辅两个控制回路( 图1 1 所示) ，主回路为温度控制，辅回路为流量控制。实践表明，该方法能够很好 的满足控制要求，保障了生产的稳定运行。 卜调节罚2 - - m p i o 鼹毂块a - - 主m a 函致块争纛发冷郅一 图1 】串级p i d 控制简图 李茜、李彬、朱雪丹【4 2 】阐述了碱回收蒸发工段中蒸汽温度控制的重要性， 并且针对温度控制具有的大延迟、大惯性等特点，提出一种不同于常规p i d 控 制的模糊自整定p i d 串级控制算法。仿真表明，该算法明显优于传统p i d 控制， 在蒸汽温度的控制上有较好的控制效果。 7 第一章绪论 1 3 总结 在化工生产过程中，蒸发是能耗相对较大的单元操作。如何对蒸发过程进 行优化，使蒸发装置在高效率、高速度、低投资、低能耗下运行，是决定项目 成败的关键。从以上文献可以看出，目前国内外研究人员在蒸发工艺的优化控 制上，智能控制的重视程度远大于节能优化的重视程度，基本上对蒸发工段的 控制都是给定参数，在给定参数的基础上实现智能控制，达到预期控制效 果，而并没有以节能减耗为目的，在控制效果达到最佳的基础上，使系统 能耗尽可能减少。而且在系统自优化方面的研究甚少，没有真正通过工艺 分析软件来对蒸发工艺过程中的能量消耗进行有效计算，设计出基于能耗 最小和操作成本最低的蒸发工艺流程。因此，综合国内外现有对蒸发工段研究 的成果与不足，本文研究的目标为蒸发系统的优化设计，在优化系统的基础上， 对其进行有效地控制，在实现出口溶液浓度等各参数符合标准的情况下，最大 化降低能耗，从而达到预期控制效果。 全文内容如下安排： 第一章，主要介绍本课题研究背景和研究意义，以及国内外在蒸发工 段建模优化与控制方面的研究现状。 第二章，主要介绍蒸发工段的工艺流程和特点，分析了影响蒸发工段 产品质量各因素的相关特性，从而为优化及控制工作提供理 论基础。 第三章，主要运用a s p e np l u s 软件对蒸发过程进行模拟仿真，并分析 各个参数对系统的影响程度，以能耗最小为优化目标，在满 足工艺要求的情况下，得出最优的蒸发系统结构，并通过对 各参数的研究分析，求出能耗最小时各参数的数值，为实践 工程提供切实的理论依据。 第四章，基于动力学模拟，以海水淡化多效蒸发过程为工业背景，对 三效蒸发分离过程操作变量变化影响进行灵敏度分析，明确 其主要控制参数，提出一套控制方案，通过控制效果和干扰 影响的仿真模拟研究，证明本文提出的控制结构和控制策略 符合】：艺控制要求，且具有良好的抗夕 界干扰能力，而且控 制蒸发罐的t b t 、压力和液位能精确有效的间接控制蒸发分 8 第一章绪论 离过程的浓度等过程生产品质指标。 第五章，总结本文的内容，阐述本文研究成果并同时提出一些问题， 对今后研究的前景进行了展望。 9 第二章蒸发工段过程分析 2 1 蒸发工艺介绍 第二章蒸发工段过程分析 2 11 蒸发的目的和特点 蒸发的目的通常是为了将溶液浓缩，以获得所需要的浓缩液、固体析出物 或者纯净的溶剂。蒸发操作是将物质分离，但其实质是热量传递，溶剂汽化的 速率由传热速率所决定，所以蒸发操作是含有不挥发溶质溶液的沸腾传热，其 特点【4 3 】是： ( 1 ) 浓溶液在沸腾汽化的过程中常常在加热表面析出溶质从而形成垢层，使得传 热过程恶化。因此，应合理设计蒸发器的结构，尽可能防止或减少垢层的生成， 并且使加热面容易清理。 ( 2 ) 溶液的性质往往影响蒸发器的结构的设计。例如，当溶液是热敏性物质的时 候，高温下过长时间的停留会引起变质，所以，这种情况时应设法减少溶液在 蒸发器中停留的时间。 ( 3 ) 溶剂的汽化需要吸收：大量的热量，因此蒸发操作是大耗能过程，节能是蒸发 工段的关键性问题。 节能措施【删主要包括以下的几个方面： ( 1 ) 采用热压泵技术； ( 2 ) 矛r j 用冷凝水； ( 3 ) 幂l j 用物料显热； ( 4 ) 多效的利用。 2 1 2 蒸发机理分析 1 、相变过程4 5 】 相变过程是指物体从一种相态到另一种相态的转变，比如由固态转变为液 态、液态转变为气态等等。在转变的过程中，物体的物理特性会发生明显的变 1 0 第二章蒸发工段过程分析 化，同时，存在热量的吸收或释放。 实际的生产过程中蒸发操作包含了两类相变过程：加热蒸汽在蒸发器内释 放出热量冷凝成液态水，罐内的被加热料液则吸收了由罐壁传递来的热量汽化 成蒸汽，前一类过程为气相变液相，后一类过程为液相变气相。例如：在锂云 母生产碳酸锂的料液蒸发过程中，料液中的溶剂吸热后从液相转变为气相，同 时加热蒸汽放热后从气相转变为液相。在相变过程中，其反应速度的快慢与传 热速率成正比，相变过程随着传热速率增大而变快，反之传递速率越小则速率 越慢。 2 、蒸发过程【4 6 j 蒸发过程是指溶液( 含有不挥发性溶质) 在加热过程中，部分溶剂被汽化， 得到剩余含有不挥发性溶质的浓缩溶液的过程【47 。 蒸发过程中，加热源通常为导热油或水蒸气，加热源的温度都要远高于被 加热料液的沸点。加热源在蒸发罐内释放热量，热量通过夹套的壁面传给被加 热料液，对其进行加热后料液达到沸点，随即便沸腾蒸发。溶液中水分的气化 不一定要溶液沸腾时才能进行，一般情况下，水分的气化有两种情况，一种便 是沸腾蒸发，料液被加热至沸腾时内部产生气泡并且剧烈气化，其原理是水分 子由于吸收热量温度上升，动能增大，当其动能大到能克服分子间作用力时， 水分子便以气泡的形式脱离料液成为水蒸气。另一种气化的方式称作自然蒸发， 其可在任何温度环境中进行，是溶液中水分在料液表面进行气化的过程。 料液的浓度直接影响料液沸点的高低，一般情况下，料液沸点随其浓度的 增大而升高，在压力一定的情况下，沸点升高是指料液沸腾时的温度和纯溶剂 沸腾时的温度之差。蒸发罐内，由于气液两相的同时存在，会达到一个平衡状 态，然而当气相的压力不断增加时，即二次蒸汽不及时排出，直到与溶剂蒸汽 压力相等，气化过程则会停止，也就是不再有蒸发过程，整个工艺流程被迫中 断，造成严重的后果。所以，热能供给的充足和二次蒸汽排放的及时是为了保 证蒸发顺利进行所必须做好的两个准备。 3 、真空蒸发 实际的工业生产中，绝大多数的蒸发设备都是采用真空蒸发技术，因为真 空蒸发能增大系统的有效温差和总温度差，进而节省加热蒸汽的消耗量达到提 高蒸发效率的目的，真空蒸发的作用非常重要。有效温差是指加热蒸汽和被加 热料液沸点之间的温度差，而总温度差是饱和加热蒸汽和末效出口二次蒸汽之 第二章蒸发工段过程分析 间的温度之差。 2 2 影响蒸发过程产品质量主要因素分析 多效蒸发过程的产品质量一般都是以出口料液的浓度作为评定标准，工业 生产中，影响蒸发工段出口料液浓度的主要因素有：蒸发器内真空度、进料流 量、进料温度和浓度、加热蒸汽压力和流量、冷凝水及不凝性气体的排出等【4 8 1 。 2 2 1 蒸发器内的真空度 实际生产中的蒸发操作一般情况都是在真空条件下进行的，然而蒸发器的 真空度则直接影响工艺产品质量。真空度过低时，料液的沸点较高，蒸发操作 所需要的热量便越多，使得生产能耗增大，反之，真空度过高时，会导致对后 效蒸发罐真空度要求的增高，给蒸发操作和设备带来诸多困难。因此，只有真 空度在一个适当的程度时，工艺过程才能达到一个最佳的状态，这时蒸发操作 运行平稳，出口产品的质量也能够得到保障，由于系统的传热速率达到最优， 使得加热蒸汽消耗量也相应减少，很大程度提高了系统的经济效益。综上，对 蒸发罐真空度的确定和控制是非常重要的。 2 2 2 进料流量 进料流量对蒸发工段产品质量的影响同样不可忽视，当系统加热蒸汽流量 和蒸发器内温度和压力一定时，进料流量越大，出口料液的浓度就会越小，同 时还可能造成蒸发罐内液位上升，反之亦然。因此，在实际生产中，对进料流 量的控制是蒸发工段的一个重要环节，连续而平稳地进料是保障蒸发工段产品 质量的关键。 2 2 3 进料的温度和浓度 进料的温度和浓度直接影响着多效蒸发出口料液的浓度，当系统加热蒸汽 流量和蒸发器内温度压力一定时，进料温度或浓度越高出口浓度则越大。实际 生产中，人们往往容易忽视进料温度和浓度对出口产品质量的影响，以至于不 1 2 第二章蒸发工段过程分析 能及时发现造成质量问题的原因所在，因此对进料温度和浓度的监测和调节是 不可或缺的，其同样影响多效蒸发过程的正常运行。 2 2 4 加热蒸汽的压力和流量 加热蒸汽是多效蒸发过程的热量来源，其压力和流量的变化意味着系统能 耗的变化，因此，对加热蒸汽压力和流量大小的严格控制是保证蒸发工段产品 质量的关键。在实际生产过程中，加热蒸汽的压力和流量是相互关联的，压力 增大时，其流量也随之增大，同时温度也会相应升高，三者之间存在一定的变 化关系。 2 2 5 冷凝水和不凝性气体的排出 冷凝水的及时排出对于多效蒸发工艺非常关键，末效二次蒸汽进入冷凝器 后降温冷凝成水，而当这些冷凝水排放过慢时，蒸发器内的压力会受到影响， 从而使得蒸发过程不能顺利进行，相反，如果这些冷凝水排放过快，则有可能 带出一部分蒸汽，造成能耗加大。加热蒸汽对料液进行加热时也会产生冷凝水， 这些冷凝水排放不及时会覆盖住加热面，降低加热过程的传热速率，影响到系 统的蒸发效率。因此，对冷凝水排放阀的设置非常重要，适当地排出冷凝水是 保障蒸发顺利进行的前提条件。 在某些蒸发工艺中，会存在不凝性气体的产生，如果这些不凝性气体在蒸 发罐中不断聚集，便会在加热面上形成气膜，阻碍传热过程，使系统的传热速 率降低。因此，不凝性气体的排放也是影响蒸发工段一个重要因素，实际生产 中，一般是通过人工操作来完成对其排放的工作。 通过上述对影响多效蒸发出口浓度因素的分析，我们可以看出，为保证多 效蒸发过程的顺利进行，就必须严格调节其生产过程中的各个操作参数。 2 3 蒸发系统分类与介绍 2 3 1 多效蒸发的分类和介绍 多效蒸发中二次蒸汽和物料的流向有很多种组合，因此多效蒸发的流程可 1 3 第二章蒸发工段过程分析 分为以下几种： l 、并流式 此方法为工业中比较常见的，如图2 1 所示，二次蒸汽和料液同向依次通 过各效，由于后一效的压力比前一效的低，料液可凭借两效间的压差流动，而 不需要用泵输送，而且料液进入后一效会产生额外更多的二次蒸汽【5 1 1 。同时， 因为后一效比前一效料液的浓度大、温度低，粘稠度增加显著，使得其传热效 率不断降低，尤其是对后两效的影响非常大，所以该方法不适合于黏度随溶液 浓度增大而增加很快的料液。 碴帮裘 图2 1 顺流式三效蒸发系统示意图 2 、逆流式 料液与蒸汽按相反的方向流动，l i p ；d i ：i 热蒸汽由第一效蒸发罐进入，产生的 二次蒸汽顺序流至末效，而料液则从末效蒸发罐进入，用泵依次将其送入至前 一效，最终浓缩液从第一效排出( 如图2 2 所示) 。此方法能让料液的浓度愈 大时温度愈高，从而避免料液黏度过大和各效传热系数过小，但料液需要泵来 输送，能耗有所增加【5 2 】。 1 4 第二章蒸发工段过程分析 7 ；i 。1 誊l味，、i ”曩幽卜。l 二t 1睫 i ：= ：l l l i ! 一、i = l 烈卜。f 、“1 i _ 一。 i l _ 璇罐辨；黟i ”? j 嘲婚 i _ 喇嚣j 夺 _ 1 _ _ | _ _ ，。黧篓 “ ”l 浓壤漶 图2 2 逆流式三效蒸发系统不恿图 3 、平流式 如图2 3 所示，平流法是按各效分别进料同时分别出料的方式进行，各效 的料液浓度相同，加热蒸汽由第一效顺序流向末效5 3 1 。在蒸发过程中会存在有 结晶析出的料液，由于结晶在效与效之间不便输送，所以该方法常应用于这种 工况，例如食盐水料液的蒸发。 图2 3 平流式三效蒸发系统示意图 1 5 毋i ；潜 - v 一n i 浓然菇辩 jji；_jh ，￥ 、 一i _ j 一一；一 。一，曩；：。，l一 、一 ， ， 一 一i一 一 叫 畛 蕊 第二章蒸发工段过程分析 4 、混流式 蒸汽由第1 效顺序流至第n 效，料液由第m 效流至第n 效，然后通过预 热器进行加热，用泵送入第1 效，最终从第m 1 效出料，此方法适用于一些复 杂工况【5 4 】。 2 3 2 多级闪蒸的分类和介绍 1 、贯通型多级闪蒸 如图2 4 所示，贯通型( o t m s f ) 多级闪蒸主要包括料液加热段和热回收 段两部分。热回收段是由多个闪蒸单元串联组成，原料液直接进入热回收段当 中，利用料液闪蒸产生的蒸汽冷凝所放出的潜热对其进行预热，温度升高后从 预热器中出来，进入加热器中加热值顶温。温度达到顶温的料液依次流进多个 压力逐渐减小的闪蒸室，逐级进行蒸发降温，产生冷凝水，同时料液的浓度也 逐级增大。最后一级闪蒸室出来即为所得浓溶液。 aa _ 1 vv 量t & 心 多 c o m p l e t i o nf l u i 图2 4 贯通型多级闪蒸结构图 2 、带有料液循环器的多级闪蒸 如图2 5 所示，带有料液循环器( m m s f ) 的多级闪蒸主要包括热回收段、 料液分配器、料液加热器、料液混合器四个部分。热排放段由多个闪蒸单元串 联组成，原料液和部分排放浓料液进入料液混合器中混合，然后进入热回收段 中的料液预热器进行预热，温度升高后从预热器中出来，进入料液加热器中加 热值顶温，接着依次流进多个闪蒸室进行多级闪蒸，产生冷凝水。最后一级闪 蒸室出来的浓料液经过分配器一部分排出，另一部分与补充料液混合进入热回 收段，此过程不断循环进行下去。 1 6 第二章蒸发工段过程分析 f r ，, t v j ，一， fp v t 尊 一 一。n 。膨， 。 f f 奎 一 m 躲，c o 圳 弋n 1 一 7 图2 5 带有料液循环器的多级闪蒸结构图 3 、带有排热段的多级闪蒸 如图2 6 所示，带有排热段( c m s f ) 的多级闪蒸主要包括料液加热段、排 热段和热回收段。原料液首先进入排热段进行预热，预热后大部分料液排出， 小部分作为补给料液与得到的浓完成液混合后，进入热回收段，在热回收段中， 混合料液利用料液闪蒸产生的蒸汽冷凝所放出的潜热对其进行预热，从预热器 出来后进入加热器加热值顶温，被加热到顶温的料液依次流入多个闪蒸室进行 多级闪蒸，产生冷凝水。最后一级闪蒸室出来的完成液一部分排出，一部分则 与补充料液混合进入热回收段，此过程不断循环进行下去。 图2 6 带有排热段的多级闪蒸结构图 第二章蒸发工段过程分析 2 4 本章小结 本章主要阐述了蒸发工艺的目的和特点，针对蒸发二 艺能耗大这个关键性 问题提出了相应的节能措施，介绍了蒸发系统的种类及其工作原理。同时分析 研究了蒸发系统中压力、温度以及流量等各因素对蒸发过程产品质量的影响情 况，为后面的工作提供理论基础。 1 8 第三章基于a s p e np l u s 多效蒸发模拟分析与优化 第三章基于a s p e np l u s 多效蒸发模拟分析与优化 多效蒸发的性能包括蒸发效率和能量消耗两个方面【5 5 】。其中，蒸发效率反 映蒸发程度大小，主要参考指标有二次蒸汽冷凝后水的产量和出口料液的浓度， 根据物料衡算，可以得出出口料液浓度变化规律和冷凝水产量的变化规律是一 致的，所以只要监视一项指标便可。而能量消耗则反映整个系统的花费大小， 主要