氨合成工艺参数对吨氨气耗的影响分析.doc

目 录摘要：- 1 -Abstract:- 1 -1 引言- 1 -2装置反应原理- 2 -3 数据来源及处理- 3 -4 数据分析及讨论- 3 -4.1变量与目标值关系的单因子分析- 3 -4.1.1 单因子分析的Matlab程序编制- 3 -4.1.2 单因子图分析及讨论- 6 -4.2 变量与变量关系的双因子分析- 7 -4.2.1 双因子分析编程- 7 -4.2.2 双因子图分析及讨论- 12 -5结束语- 15 -参考文献- 16 -致 谢- 17 -氨合成工艺参数对吨氨气耗的影响分析李斌化学化工学院07级应用化学专业 指导老师：张运陶摘要：以吨氨气耗为目标值，以合成塔循环量FI-511(Nm3/h)、合成塔压力PI-511(MPa)、合成塔阻力(MPa)、合成塔入口温度TI-501等为主要影响目标值的自变量，借助Matlab平台对某合成氨装置的生产数据进行单因子和双因子分析，由此找出各变量对吨氨气耗的影响，从而为该合成氨装置的生产提供一些指导性意见。关键词：合成氨装置;吨氨气耗;Matlab;单因子;双因子分析Influence Analyse of Ammonia Synthesis Process Parameters on the tons of Ammonia Li BinCollege of Chemistry and Chemical Engineering Iuswtwte of Applied Chemistry, Grade 2007Instructor: ZHANG Yun-taoAbstract:Tons of ammonia consumption is the target value to the amount of reactor cycles FI-511 (Nm3/h), taking reactor pressure of PI-511 (MPa)cwd reactor resistance (MPa), reactor inlet temperature as the main TI-501 independent variables affect the target, using Matlab platform for the production of ammonia plant of a single factor and double-data analysis. To identify the various variables on the consumption of tons of ammonia, and wo provide some guidance views ou.the production of the ammonia plant.Keywords: Ammonia plant; Natural gas consumption of a ton of ammonia; Matlab; single factor; two-factor analysis 1 引言氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位1-2，如何提高氨生产的合成率，降低原料的浪费是每个氨生产企业都十分重视的问题。目前大多数化工装置都采用了集散控制系统（Distributed Control system,DCS）装置的生产过程进行调控。DCS存储了生产过程中产生的大量信息。通过对这些生产数据信息的分析挖掘3-4，从中发现有用信息，可以为装置的生产过程提供指导性意见，达到优化生产的目的。本课题以吨氨气耗为目标值，以影响目标值的主要因素为自变量，借助Matlab软件平台设计编制相应作图程序，对某氨合成装置前期生产数据进行变量对目标值的的单因子分析和变量之间的双因子分析3-5，由此找出一些影响吨氨气耗的主要因素，为制定合理的生产工艺参数指导生产，提高氨的合成率、降低吨氨气耗，从而达到节能减排提供一些指导性的意见6-8。2装置反应原理该氨合成装置采用循环法法，其工艺流程如下：（1）原料气制备 将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。（2）净化 对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气（3）氨合成 将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。其工艺流程图如下：3 数据来源及处理本课题以该氨合成装置2009年911月共835组生产数据作为研究数据集。吨氨气耗是合成氨装置运行效益评价的一个重要指标。吨氨气耗低，反应产物收率高，能耗小，从而能提高企业的节能效益和经济效益9-11。因此我们把吨氨气耗（V）作为目标值，以合成塔循环量FI-511(Nm3/h)、合成塔压力PI-511(MPa)、合成塔阻力(MPa)、合成塔入口温度TI-501、合成塔上层温度TI-511-3、合成塔出口压力(MPa)、补充气压力(MPa)、驰放气流量(Nm3/h)、循环CH4(%)、循环H2(%)、H2/N2、NH3%(进口)、NH3%(出口)等18个变量为影响目标值的主要变量（分别以x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10，x11，x12，x13，x14，x15，x16，x17，x18表示），借助Matlab软件对数据集分别进行单因子分析和双因子分析，以研究自变量与目标值之间，及自变量与自变量之间的相关关系。4 数据分析及讨论 4.1变量与目标值关系的单因子分析此处采用单因子分析方法，通过图形分析反应装置“合成塔循环量FI-511(Nm3/h)、合成塔压力PI-511(MPa)、合成塔阻力(MPa)、合成塔入口温度TI-501等18个变量对吨氨气耗的影响。4.1.1 单因子分析的Matlab程序编制P=生产数据;i=input(input column=)figure(color,white);%定义figue的背景为白色subplot(1,2,1);plot(p(:,i),p(:,23),*);ylabel(吨氨气耗)switch icase 1 xlabel(循环量FI-511(Nm3/h)case 2 xlabel(合成塔压力PI-511(MPa)case 3 xlabel(合成塔阻力(MPa)case 4 xlabel(合成塔入口温度TI-501)case 5xlabel(合成塔上层温度TI-511-3)case 6 xlabel(合成塔出口压力(MPa)case 7 xlabel(补充气压力(MPa)case 8 xlabel(驰放气流量(Nm3/h)case 9 xlabel(一氨冷气氨温度)case 10 xlabel(二氨冷气氨温度)case 11 xlabel(补充CH4(%)case 12 xlabel(补充H2(%)case 13 xlabel(循环N2(%) case 14 xlabel(循环CH4(%) case 15 xlabel(循环H2(%)case 16 xlabel(H2/N2)case 17 xlabel(NH3%(进口) case 18 xlabel(NH3%(出口) endsubplot(1,2,2);plot(p(:,i+1),p(:,23),*);ylabel(吨氨气耗)switch i+1case 2 xlabel(合成塔压力PI-511(MPa)case 3 xlabel(合成塔阻力(MPa)case 4 xlabel(合成塔入口温度TI-501)case 5 xlabel(合成塔上层温度TI-511-3)case 6 xlabel(合成塔出口压力(MPa)case 7 xlabel(补充气压力(MPa)case 8 xlabel(驰放气流量(Nm3/h)case 9 xlabel(一氨冷气氨温度)case 10 xlabel(二氨冷气氨温度)case 11 xlabel(补充CH4(%)case 12 xlabel(补充H2(%)case 13 xlabel(循环N2(%) case 14 xlabel(循环CH4(%) case 15 xlabel(循环H2(%)case 16 xlabel(H2/N2)case 17 xlabel(NH3%(进口) case 18 xlabel(NH3%(出口) end4.1.2 单因子图分析及讨论 图2 吨氨气耗分别对循环量，合成塔压力作图由图2可以看出循环量增大吨氨气耗略有减小，循环量主要集中在7800088000Nm3/h左右。图3 吨氨气耗分别合成塔上层温度，合成塔出口压力，补充气压力，驰放气流量作图由图3可见，合成塔上层温度、补充气压力驰放气流量与吨氨气耗没有明确线性关系，合成塔出口压力增加吨氨气耗略减小，合成塔出口压力在14.1MPa14.5MPa左右，吨氨气耗在919m3930m3。 4.2 变量与变量关系的双因子分析双因子分析是自变量与自变量作图，由此找出自变量与自变量之间的关系，本课题中以合成塔压力PI-511(MPa)、合成塔阻力(MPa)等18个变量两两作图，由此找出相互之间的关联性。4.2.1 双因子分析编程利用Matlab平台对18个变量作图分析，下面以循环量FI-511(Nm3/h)与其他变量分析为例，其程序如下：P=生产数据;i=input(input column=)figure(color,white);%定义figue的背景为白色subplot(2,2,1);plot(p(:,i),p(:,1),*);ylabel(循环量FI-511(Nm3/h)switch icase 1 xlabel(循环量FI-511(Nm3/h)case 2 xlabel(合成塔压力PI-511(MPa)case 3 xlabel(合成塔阻力(MPa)case 4 xlabel(合成塔入口温度TI-501)case 5xlabel(合成塔上层温度TI-511-3)case 6 xlabel(合成塔出口压力(MPa)case 7 xlabel(补充气压力(MPa)case 8 xlabel(驰放气流量(Nm3/h)case 9 xlabel(一氨冷气氨温度)case 10 xlabel(二氨冷气氨温度)case 11 xlabel(补充CH4(%) case 12 xlabel(补充H2(%)case 13 xlabel(循环N2(%) case 14 xlabel(循环CH4(%) case 15 xlabel(循环H2(%) case 16 xlabel(H2/N2)case 17 xlabel(NH3%(进口) case 18 xlabel(NH3%(出口) endsubplot(2,2,2);plot(p(:,i+1),p(:,1),*);ylabel(循环量FI-511(Nm3/h)switch i+1case 2 xlabel(合成塔压力PI-511(MPa)case 3 xlabel(合成塔阻力(MPa)case 4 xlabel(合成塔入口温度TI-501)case 5 xlabel(合成塔上层温度TI-511-3)case 6 xlabel(合成塔出口压力(MPa)case 7 xlabel(补充气压力(MPa)case 8 xlabel(驰放气流量(Nm3/h)case 9 xlabel(一氨冷气氨温度)case 10 xlabel(二氨冷气氨温度)case 11 xlabel(补充CH4(%) case 12 xlabel(补充H2(%)case 13 xlabel(循环N2(%) case 14 xlabel(循环CH4(%) case 15 xlabel(循环H2(%) case 16 xlabel(H2/N2)case 17 xlabel(NH3%(进口) case 18 xlabel(NH3%(出口) endsubplot(2,2,3);plot(p(:,i+2),p(:,1),*);ylabel(循环量FI-511(Nm3/h)switch i+2 case 3 xlabel(合成塔阻力(MPa)case 4 xlabel(合成塔入口温度TI-501)case 5xlabel(合成塔上层温度TI-511-3)case 6 xlabel(合成塔出口压力(MPa)case 7 xlabel(补充气压力(MPa)case 8 xlabel(驰放气流量(Nm3/h)case 9 xlabel(一氨冷气氨温度)case 10 xlabel(二氨冷气氨温度)case 11 xlabel(补充CH4(%) case 12 xlabel(补充H2(%)case 13 xlabel(循环N2(%) case 14 xlabel(循环CH4(%) case 15 xlabel(循环H2(%) case 16 xlabel(H2/N2)case 17 xlabel(NH3%(进口) case 18 xlabel(NH3%(出口) endsubplot(2,2,4);plot(p(:,i+3),p(:,1),*);ylabel(循环量FI-511(Nm3/h)switch i+3case 4 xlabel(合成塔入口温度TI-501)case 5xlabel(合成塔上层温度TI-511-3)case 6 xlabel(合成塔出口压力(MPa)case 7 xlabel(补充气压力(MPa)case 8 xlabel(驰放气流量(Nm3/h)case 9 xlabel(一氨冷气氨温度)case 10 xlabel(二氨冷气氨温度)case 11 xlabel(补充CH4(%) case 12 xlabel(补充H2(%)case 13 xlabel(循环N2(%) case 14 xlabel(循环CH4(%) case 15 xlabel(循环H2(%) case 16 xlabel(H2/N2)case 17 xlabel(NH3%(进口) case 18 xlabel(NH3%(出口) end同样方法分别对其他17个变量编程分析4.2.2 双因子图分析及讨论 图4循环量FI-511(Nm3/h)对合成塔压力（MPa），合成塔阻力（MPa）作图由图4可见循环量FI-511(Nm3/h)与合成塔压力PI-511(MPa)，合成塔阻力(MPa)具有线性关系，合成塔压力PI-511(MPa)，合成塔阻力(MPa)增大循环量FI-511(Nm3/h)也增大，其拟合函数分别为：x1=-25899+7839.6x2 ，x1=50924+2.2741x3 图5 循环量对合成塔压合成塔上层温度，合成塔出口压力（MPa），不充气压力（MPa），驰放气压力作图由图5形可以分析出合成塔上层温度，补充气压力（MPa），驰放气压力与循环量没有明确线性关系。合成塔出口压力与循环量有正关系，其拟合函数；：x1=-26681+7980x6图6合成塔压力对合成塔阻力，合成塔出口温度，补充气压力，驰放气流量作图由图6可看出合成塔阻力，合成塔出口压力，补充气压力，驰放气流量与合成塔压力都具有线性正关系。其中合成塔温度的线性关系最明显，拟合函数；x2=-0.23404+1.0275x6图7 合成塔阻力对合成塔出口压力，补充气压力作图由图7可见合成塔出口压力增大合成塔阻力也随之增大，补充气压力（MPa），与合成塔阻力没有明确的线性关系。图8 合成塔出口压力对补充气压力，驰放气流量，补充CH4，循环N2(%)作图由图8可见合成塔出口压力与补充气压力（MPa）有线性关系，合成塔出口压力与驰放弃流量(Nm3/h)略有点线性关系，合成塔出口压力（MPa）与补充CH4(%)，循环N2(%)没有明确的线性关系。图9 循环H2对氢氮比H2/N2作图由图分析循环H2与氢氮比H2/N2具有明显的正线性关系，拟合函数；x15=+36.435+10.207x16通过上述分析我们可以得出以下规律：1.单因子分析：循环量增大吨氨气耗略有减小，循环量主要集中在7800088000Nm3/h左右、合成塔出口压力(MPa)增加吨氨气耗略减小。循环N2（%）循环CH4（%）含量增加吨氨气耗略减小。合成塔入口温度、一二氨冷气温度，补充CH4(%)，补充H2(%)等与吨氨气耗没有明确线性关系。 2.双因子分析：合成塔压力PI-511(MPa)，合成塔阻力(MPa)，合成塔出口压力(MPa)均与循环量有正关系。合成塔上层温度，循环N2，循环CH4等于循环量没有明确的线性关系。合成塔出口压力增大合成塔阻力也随之增大，补充气压力（MPa），氢氮比H2/N2与合成塔阻力没有明确的线性关系。补充气压力（MPa）与驰放弃流量(Nm3/h)有线性关系，驰放弃流量增大补充气压力也略增大。综上所述：希望吨氨气耗最小，达到节能减排，提高经济效益，则下例变量的波动范围为： 表4.1 变量的控制范围Table 1 Controlrange of the process parameters变量名parameterx1x3x6x7x8x15x16控制区Controlrange78000 88000Nm3/h0.140.1713.2114.7513.7214.461567199849631.52.55结束语本文利用数据挖掘技术优化化工生产工艺参数，利用Matlab软件，通过对变量单因子分析和双因子分析找出化工生产数据中的一些规律，最后从系列的规律中得出最佳的生产方案。参考文献1 张运陶,张明荣,郑怀江,付伟忠.基于数据挖掘的尿素合成工艺参数优化J.计算机与应用化学,2009，26(8):1013-1016.2 张运陶,刘金迪，杨强龙,申明金.傅孝锦.芳构化汽油生产信息挖掘及优化J.计算机与应用化学,2003,20(6):817-824.3 杨善升,陆文聪,陈念贻. 数据挖掘技术在化工优化中的应用J.江苏化工，2004,32(4):1-4.4 何欢，邸彩霞，阿不都热合木托乎提合.成氨燃料系统操作优化与节能改造J.石油和化工节能，2007,6：23-25.5 杨善升,陆文聪,顾天鸿,陆治荣,刘欣,杨明. 基于数据挖掘的合成氨过程优化和监测系统应用研究. 化工自动化及仪表，2010，37(7)：7