способ управления процессом декомпозиции алюминатного раствора в производстве глинозема

Формула изобретения

1. Способ управления процессом декомпозиции алюминатного раствора в производстве глинозема, осуществляемого в батарее последовательно соединенных аппаратов-декомпозеров, снабженных устройствами охлаждения исходного алюминатного раствора и декомпозерной пульпы, устройствами классификации декомпозерной пульпы на выходе батареи на крупную продукционную и мелкую фракции по размеру твердых частиц в пульпе, с подачей исходного алюминатного раствора в головной декомпозер, мелкой и части крупной фракции - в качестве потоков затравки - в декомпозеры головной части батареи, включающий измерение расхода входного потока алюминатного раствора, расхода потока затравки, температуры алюминатного раствора и декомпозерной пульпы, содержания оксида алюминия и каустической щелочи в алюминатном растворе, содержания частиц заданного класса в продукционном гидроксиде, стабилизацию расхода потоков затравки, температуры алюминатного раствора и декомпозерной пульпы и изменение на каждом шаге управления заданных стабилизируемых значений, определяемых с помощью математической модели процесса декомпозиции в зависимости от измеренного содержания частиц заданного класса в продукционном гидроксиде, отличающийся тем, что заданные для стабилизации на каждом шаге управления значения расхода потоков затравки и температуры входного алюминатного раствора и декомпозерной пульпы определяют с помощью аппроксимированной математической модели, состоящей из последовательного соединения линейного динамического звена, входами которого являются измеренные значения всех указанных параметров, и линейного статического звена, определяющего прогнозируемое значение скорости изменения содержания частиц заданного класса крупности в продукционном гидроксиде, усредняют и центрируют измеренные значения всех параметров, в зависимости от которых и от прогнозируемого значения скорости изменения содержания частиц заданного класса крупности определяют и устанавливают заданные для стабилизации на данном шаге управления значения параметров.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отклонении прогнозируемого значения скорости изменения содержания частиц заданного класса крупности на данном шаге управления от нулевого значения на величину, равную или более 5% от его значения на предыдущем шаге управления, величину управляющих воздействий на данном шаге управления устанавливают пропорционально величине и знаку отклонения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отклонении прогнозируемого значения скорости изменения содержания частиц заданного класса крупности на данном шаге управления от нулевого значения на величину менее 5% от его значения на предыдущем шаге управления, величину управляющих воздействий на данном шаге управления устанавливают пропорционально знаку отклонения на постоянных значениях, выбранных из диапазона 0,5-1,0°С по температуре и 5-10% от номинального потока по расходу затравки.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано для управления инерционными процессами, у которых выходной параметр нелинейно, преимущественно экстремально связан с входными параметрами. Одним из таких процессов в производстве глинозема является процесс разложения (декомпозиции) алюминатного раствора с выделением в твердую фазу гидроксида алюминия.

Аппаратурно процесс декомпозиции осуществляется в батарее последовательно соединенных баковых аппаратов (декомпозерах), в каждом из которых осуществляется перемешивание раствора. В отдельные декомпозеры (обычно в головные аппараты батареи) подается «затравка» - пульпа, содержащая твердые частицы гидроксида алюминия, на которых осуществляется осаждение гидроксида из раствора. По мере перехода раствора из предыдущего декомпозера в последующий декомпозерная пульпа обогащается твердой фазой гидроксида алюминия. После выхода пульпы из последнего декомпозера твердая фаза отделяется от маточного раствора (фильтруется) и является продукционным гидроксидом, поступающим на дальнейшую переработку для получения глинозема. Часть продукционного гидроксида отделяется и в качестве затравки возвращается в процесс декомпозиции. Такой процесс является инерционным и время пребывания пульпы в батарее составляет 30-60 часов.

На условия разложения алюминатного раствора, выделения в твердую фазу кристаллов гидроксида алюминия и их рост влияют: состав входного алюминатного раствора (содержание в нем каустической щелочи и растворенного гидроксида алюминия), его температура, количество подаваемой затравки, температура декомпозерной пульпы, интенсивность перемешивания, длительность пребывания пульпы в батарее декомпозеров.

Обычно целью управления процессом декомпозиции является получение максимального количества продукционного гидроксида, в котором содержание частиц крупной (обычно более 40-45 мк) фракции не менее заданного значения (обычно 80-90%).

Указанный параметр экстремально зависит от параметров процесса декомпозиции: количества, состава и температуры входного алюминатного раствора, количества подаваемой затравки и температуры в декомпозерах.

Известны способы управления процессом декомпозиции, включающие измерение и стабилизацию темепературного режима и стабилизацию затравочного отношения - соотношения расходов затравки к алюминатному раствору (см. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство глинозема. Издательство «Металлургия», М., 1970, с.307-308).

Практика показывает, что указанный способ не позволяет получать продукционный гидроксид с заданной крупностью, поскольку влияние неконтролируемых (или не учитываемых) возмущений (изменение состава алюминатного раствора, колебания температурного режима и пр.) приводят к волнообразному изменению крупности продукционного гидроксида, причем периодичность этих колебаний составляет 2-3 месяца.

Известны способы управления процессом разложения алюминатного раствора, включающие смешивание алюминатного раствора и затравки и подачу затравочной суспензии в разные стадии процесса декомпозиции, измерение потоков алюминатного раствора, содержания гидроксида алюминия в затравочной суспензии и его грансостава и изменение потоков затравочной суспензии в зависимости от отклонения грансостава от заданного значения (см. а.с. СССР №93029067 от 03.06.1993, а.с.№96124203 от 25.12.1996). Задачей таких способов является получение продукционного гидроксида «песочного» типа (с повышенным содержанием частиц крупной фракции).

Недостатком указанных способов является плохая стабилизация заданного грансостава продукционного гидроксида вследствие того, что не учитывается влияние температуры на процесс декомпозиции.

Известен способ управления процессом декомпозиции (см. а.с. СССР №2051099 от 02.08.1991), согласно которому алюминатный раствор смешивают с затравкой и полученную суспензию направляют в две параллельно работающие при разных температурах батареи, измеряют грансостав гидроксида алюминия в затравочной суспензии и при отклонении его от заданного значения изменяют направление подачи полученной суспензии в параллельно работающие батареи.

Указанный способ также не приводит к стабилизации грансостава продукционного гидроксида.

Известен способ автоматического регулирования процессом декомпозиции алюминатного раствора (см. а.с. СССР №1348299 от 08.08.1985), согласно которому стабилизируют каустический модуль в растворе декомпозерной пульпы изменением температурного режима, а затравочное отношение - изменением весового расхода затравочного гидроксида, измеряют состав пульпы на выходах верхнего и нижнего уровней последнего декомпозера и грансостав в суммарном выходном потоке и изменяют расход пульпы с верхнего уровня декомпозера в зависимости от отклонения грансостава суммарного выходного потока от заданного.

Недостатком указанного способа является необходимость применения декомпозеров с верхней и нижней разгрузкой и невозможность получения максимального в конкретных условиях содержания частиц заданной фракции в продукционном гидроксиде.

В качестве прототипа принимаем способ управления процессом декомпозиции, изложенный в сборнике «Производство глинозема» (Труды ВАМИ №77, Ленинград, 1971, с.181-186).

Согласно прототипу в процессе декомпозиции стабилизируют температуру входного алюминатного раствора и величину затравочного отношения. При этом применяют математическую модель процесса декомпозиции, определяющую влияние возмущений процесса (количество и состав входного алюминатного раствора, температурный режим) на выходной показатель процесса. В качестве выходного показателя принят каустический модуль декомпозерной пульпы (содержание гидроксида алюминия), величина которого должна быть максимальна при заданной крупности частиц гидроксида. С помощью математической модели рассчитывают заданные значения температуры входного алюминатного раствора и величины затравочного отношения. Для повышения точности управления периодически измеряют величину выходного параметра (содержание гидроксида алюминия) и корректируют коэффициенты математической модели. Указанный прием направлен на компенсацию неточностей применяемой математической модели, погрешностей измерений (контрольно-измерительных приборов и химических методов анализа), изменений характеристик объекта управления во времени (зарастание аппаратуры, инкрустация теплопередающих поверхностей), неконтролируемых возмущений (изменение уровня в декомпозерах, изменение условий перемешивания и пр.).

Однако как показывает практика, применение этих способов не позволяет получить максимально возможное в конкретных условиях содержание в продукционном гидроксиде твердой фракции заданного грансостава.

Задачей изобретения является поддержание экстремального показателя качества готового продукта - содержания заданной фракции гидроксида алюминия, что позволит повысить технико-экономические показатели как процесса декомпозиции, так и всего гидрохимического цикла производства глинозема.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что в способе управления процессом декомпозиции алюминатного раствора в производстве глинозема, осуществляемого в батарее последовательно соединенных аппаратов - декомпозеров, снабженных устройствами охлаждения исходного алюминатного раствора и декомпозерной пульпы, устройствами классификации декомпозерной пульпы на выходе батареи на крупную продукционную и мелкую фракции по размеру твердых частиц в пульпе, с подачей исходного алюминатного раствора в головной декомпозер, мелкой и части крупной фракции - в качестве потоков затравки - в декомпозеры головной части батареи, включающем измерение расхода входного потока алюминатного раствора, расхода потока затравки, температуры алюминатного раствора и декомпозерной пульпы, содержания оксида алюминия и каустической щелочи в алюминатном растворе, содержания частиц заданного класса в продукционном гидроксиде, стабилизацию расхода потоков затравки, температуры алюминатного раствора и декомпозерной пульпы и изменение на каждом шаге управления заданных стабилизируемых значений, определяемых с помощью математической модели процесса декомпозиции в зависимости от измеренного содержания частиц заданного класса в продукционном гидроксиде, заданные для стабилизации на каждом шаге управления значения расхода потоков затравки и температуры входного алюминатного раствора и декомпозерной пульпы определяют с помощью аппроксимированной математической модели, состоящей из последовательного соединения линейного динамического звена, входами которого являются измеренные значения всех указанных параметров, и линейного статического звена, определяющего прогнозируемое значение скорости изменения содержания частиц заданного класса крупности в продукционном гидроксиде, усредняют и центрируют измеренные значения всех параметров, в зависимости от которых и от прогнозируемого значения скорости изменения содержания частиц заданного класса крупности определяют и устанавливают заданные для стабилизации на данном шаге управления значения параметров.

При отклонении прогнозируемого значения скорости изменения содержания частиц заданного класса крупности на данном шаге управления от нулевого значения на величину, равную или более 5% от его значения на предыдущем шаге управления, величину управляющих воздействий на данном шаге управления устанавливают пропорционально величине и знаку отклонения.

При отклонении прогнозируемого значения скорости изменения содержания частиц заданного класса крупности на данном шаге управления от нулевого значения на величину менее 5% от его значения на предыдущем шаге управления, величину управляющих воздействий на данном шаге управления устанавливают пропорционально знаку отклонения на постоянных значениях, выбранных из диапазона 0,5-1,0°С по температуре и 5-10% от номинального потока по расходу затравки.

Применение математической модели, состоящей из последовательного соединения линейного динамического звена и статического звена, позволяет достичь следующих целей:

- учесть инерционность объекта в линейном динамическом звене;

- учесть экстремальный характер зависимости выходного параметра процесса от входных параметров.

Используемое статическое звено является линейным, прогнозирует скорость изменения содержания частиц заданной крупности в продукционном гидроксиде и заменяет обычно применяемое нелинейное статическое звено, описывающее зависимость выходного параметра процесса декомпозиции от входных параметров (возмущений и управлений).

Таким образом, получаем математическую модель стандартной структуры, в которой оба последовательно соединенных звена являются линейными и для которой можно синтезировать алгоритм оптимального управления, т.е. рассчитать и реализовать на каждом шаге управления оптимальные при измеренных значениях параметров (контролируемых возмущениях и реализованных управлениях) управляющие воздействия (заданные значения температуры алюминатного раствора и декомпозерной пульпы, расхода затравки), которые обеспечивают получение максимально возможного содержания в продукционном гидроксиде частиц заданного класса крупности.

Исходя из условий задачи, такое управление обеспечивается стабилизацией прогнозируемого значения скорости изменения содержания данного класса частиц (выход статического звена) на нулевом уровне.

Усреднение и центрирование измеренных значений параметров позволяет нивелировать измерительные погрешности.

Коэффициенты математической модели обычно идентифицируют по фактическим данным процесса декомпозиции, что обеспечивает учет изменения свойств объекта управления и влияния неконтролируемых возмущений. При этом период времени, за который проводится идентификация, должен быть больше, чем время инерции процесса, что обеспечивает учет изменения свойств объекта за время пребывания алюминатного раствора в батарее декомпозеров.

По другому варианту способа управления при отклонении прогнозируемого значения параметра на данном шаге управления от нулевого значения на величину, равную или более 5% от его значения на предыдущем шаге управления, величину управляющих воздействий на данном шаге управления устанавливают пропорционально величине и знаку отклонения.

Указанный прием позволяет устанавливать такую величину управляющего воздействия, которая превышает влияние неконтролируемых возмущающих параметров.

Еще по одному варианту способа управления при отклонении прогнозируемого значения параметра на данном шаге управления от нулевого значения на величину менее 5% от его значения на предыдущем шаге управления величину управляющих воздействий на данном шаге управления устанавливают пропорционально знаку отклонения на постоянных значениях, выбранных из диапазона 0,5-1,0°С по температуре и 5-10% от номинального потока по расходу затравки.

Такой прием позволяет устанавливать мощность управляющих воздействий, которая обеспечивает возможность оценивания параметров состояния объекта управления.

На фиг.1 представлена система управления, которая позволяет реализовать предлагаемые способы управления.

Алюминатный раствор 1 через теплообменное устройство 2 поступает в головные декомпозеры 3 батареи декомпозиции. В эти же декомпозеры подается затравка 4. Декомпозерная пульпа 5 через теплообменное устройство 6 поступает в хвостовые декомпозеры 7 батареи декомпозиции, после чего классифицируется в классификаторе 8. Крупная фракция продукционного гидроксида через распределительную емкость 9 поступает на дальнейшую переработку. Часть крупной фракции 10 совместно с мелкой фракцией гидроксида 11 подается в головные декомпозеры батареи в качестве затравки.

Для измерения расходов алюминатного раствора (блок 12) и затравки (блок 13) могут быть применены электромагнитные расходомеры, например, типа ИР. Измерение температуры алюминатного раствора (блок 14) и декомпозерной пульпы (блок 15) может быть осуществлено с помощью термометров сопротивления, например, типа ТСМ. Измерение состава входного алюминатного раствора (содержание гидроксида алюминия и каустический модуль) осуществляется периодически химическими методами лабораторного анализа отобранных проб (блок 16). Измерение грансостава продукционного гидроксида (содержание твердой фракции заданного класса крупности) осуществляется периодически лабораторными методами физического анализа отобранных проб (блок 17). Регуляторы P1, P2, Р3 являются соответственно стабилизаторами заданного значения расхода затравки, температуры алюминатного раствора и декомпозерной пульпы и могут быть реализованы любым типом стандартных ПИД-регуляторов (или программой в программируемом контроллере, например, типа Simatic S-7). Расход затравки изменяется регулирующим органом 18 (например, регулирующим клапаном), а температура алюминатного раствора и декомпозерной пульпы - соответственно регулирующими клапанами 19 и 20, установленными в трубопроводах охлаждающей среды 21. Блок 22 является вычислительным блоком, на входы которого поданы сигналы об измеряемых параметрах (состав алюминатного раствора, расходы алюминатного раствора и затравки, температуры алюминатного раствора и декомпозерной пульпы, грансостав продукционного гидроксида), а выходом - заданные значения расхода затравки и температуры алюминатного раствора и декомпозерной пульпы. В блоке 22 осуществляется расчет по формулам математической модели, а также усреднение и центрирование всех измеренных параметров. Блок 22 может быть реализован программой в контроллере или персональном компьютере, снабженном устройствами ввода и вывода физических или интерфейсных сигналов. Периодически (на каждом шаге управления) расчетные значения выхода блока 22 поступают в качестве сигналов заданий на входы регуляторов P1, P2 и Р3.

Пример 1 реализации способа

Процесс декомпозиции проводят в батарее из 12 декомпозеров, вместимостью 3000 м³ каждый. На входе в батарею установлен водяной теплообменник типа «труба в трубе». Между пятым и шестым декомпозерами также установлен теплообменник такого же типа. На выходе батареи установлен классификатор для разделения декомпозерной пульпы по фракциям: «мелкое» - слив классификатора, «крупное» - нижний продукт классификатора.

Входной поток алюминатного раствора меняется в диапазоне 640-700 м³/час, состав алюминатного раствора меняется в диапазоне: 140-150 г/л содержание гидроксида, 1,6-1,7 каустический модуль. Температура алюминатного раствора меняется в диапазоне 60-70°С, а температура декомпозерной пульпы - в диапазоне 55-60°С. Расход затравки (затравочное отношение) меняется в диапазоне 1,8-2,1, содержание фракции >45 мк в затравке изменялось в диапазоне 75-85%.

Периодичность химического анализа состава алюминатного раствора составляла 4 часа, периодичность физического анализа грансостава продукционного гидроксида - 8 часов.

Результаты работы системы управления процессом декомпозиции (содержание фракции >45 мк в продукционном гидрате) приведены на фиг.2, где: а - результаты работы по способу-прототипу, фактически полученные на интервале времени 64 недели; б - результаты работы по предлагаемому способу управления.

Для наглядности результаты работы по предлагаемому способу были промоделированы при тех же условиях, что и работа по способу-прототипу. Как видно, среднее увеличение выхода продукционного гидроксида на рассмотренном интервале времени составило более 15%. При этом диапазон изменения задания по расходу затравки (затравочного отношения) составил 1,9-2,0, диапазон изменения задания по температуре алюминатного раствора 5°С, а по температуре декомпозерной пульпы 5°С. Заданные значения изменялись с частотой 1 раз в сутки. Усреднение измеренных значений осуществлялось на интервале времени 5 часов.

Принятое в описании понятие «номинальный» поток - это значение потока, определяемое технологическим регламентом процесса декомпозиции алюминатного раствора в производстве глинозема и не изменяющееся в процессе управления.