一般的建模工艺工业磷酸生产过程的设计和优化文献翻译Word文档格式.docx

1、磷酸生产过程涉及的固体和液体成分中强烈的相互作用，有若干敏感因素，如矿物的特性，反应物的组合物和过程温度条件，等等。反应过程中涉及的主要挑战是产生尽可能高的浓度和纯度的磷酸水溶液，以便于在下游生产高价值磷酸产品。在工业实践中，实现这一目标的主要依据是工程和过程的经验性知识，而一些流程建模和设计工作已经在发表的文献报告，目的是改善现有的理解和流程的效率。用半水磷酸的全面的多反应器生产的数学模型（HH）工艺第一次出现在文献1中。该模型考虑了材料和简化的群体平衡以及反应动力学数据。作者讨论了回收的酸对硫酸在过饱和条件下的反应器中进料流速比，以及对成核和晶体生长现象的效果的影响。该模型仍处于理论层面，

2、因为没有比较，都是用工业或实验数据。在文献2中提出的模型为单级脱水（DH）的过程。在文献1的基础上提出的参考模型。作者讨论的若干假设有关晶体生长及成核模型性能的影响及其结果进行比较，来获得弗罗马实验室规模的试验反应堆的实验数据。丰富的工作列于文献3中，里面涵盖了大量的磷酸生产解决科学和工程问题。在磷酸生产过程中，一种建立模型的方法被提出来了，涉及到短期切断的质量和热量平衡以及设计公式的过程单元操作，在很大程度上，而来自工业实践中得出的经验知识也纳入了开发的模型中。在文献4中模型开发的5-CSTR反应器中工业单位采用脱水方法的仿真。该过程的数学表示是类似于参考文献1，而且还涉及到热平衡。作者讨论

3、的设计参数，例如回流比和热量在加工性能和提出的工艺参数值的有限范围内的最佳工作条件产生的效果。在文献5中进行研究了一个工业半水过程，其次是水合作用槽，以允许过渡到脱水过程。所采用的过程模型包括材料和热平衡，并探讨几种设计参数，如反应器中的温度和回流比在处理操作的效果。单级脱水过程的模型在参考文献6中用Aspen Plus的过程模拟器中被开发出来。简应动单反力学的模型基于有关岩石的溶解和结晶现象的假设来表示。作者用几个关键设计以工业数据标准，对他们的研究结果进行比较。他们得出结论，即使在磷酸生产过程中有限的期间里出现的现象的描述足以提供有效的见解的过程。在文献7中有一款型号为三CSTR反应器中试

4、装置的单级脱水方法开发的模拟。该模型结合文献1,2中的工作要素，并建议简化反应动力学模型。作者为了找到中试装置的最佳操作条件，进行一组工艺参数的参数研究。现在发表的磷酸生产模拟中有几个常见的特征，不管是设计细节的水平的应用，还是在磷酸生产过程到技术较为成熟，所有提出的模型能捕捉到主要现象。不过，他们缺乏设计的灵活性，因为他们明确地朝向预测评估的设计方向进行。这套被用来处理任务的数学方程是具体的案例，因此在需要的情况下，手动添加新的设计方案（如流量，材料，工艺等等）都在进行设计计算考虑的范围内。本报告试图解决在现有的磷酸生产过程设计问题，调查主要集中在通过一定操作参数的改变引起整个过程的变化。虽

5、然这样的调查在考虑优化调整的过程中是有用的，但他们缺乏一般性的应用程序作为他们的依据。此外，他们通过在生产系统之间各种处理任务的相互作用的应用，无法确定增加生产绩效的目标。这只能通过对复杂的过程配置的优化，即对不同的工艺操作条件和不同生产设备的选择，来实现了。一个通用的合成方法已被发表到文献上，即解决涉及到反应和分离任务的工艺设计。这种方法在文章的参考文献8里面，提出了一种通用的热/质量交换的模块，不管其处理的任务，只为了有效的调研模型的模拟过程。该模块是被利用在上层建筑生产过程中的，因此捕获在参与反应和分离组件的相互作用和协同作用的数据。生产的上层建筑是基于一种过程绩效的优化准则，在非线性规

6、划形式上使用确定性的优化技术。一个通用的合成反应-分离过程的框架也被在参考文献9上提出，它是基于onrichand的包容性的上层建筑，针对于所有假设的可能以及优化生产过程的传统方案。作者使用反应/质量交换（RMX）单元的概念，为了有效的模拟目标的生产过程，无论是过程类型处理组件的数量，还是在反应和分离单元使用模型的设计细节。产生的上层建筑是使用随即的优化方法优化的，其目的是为了开发日益广泛的设计空间和识别高仿的设计方案。尽管从不同的设计理念解决质量问题，应用这些方法表明，通过对系统过程的相互作用和协同作用的识别和为了探索和确定最佳性能的设计目标得知，优化是必要的.。在这样的背景下，我们报告一个

7、在磷酸生产工艺设计过程的综合优化策略的系统性的应用。这是通过一个通用的模型和有利于系统用最佳方案识别优化来实现的。所采用的框架是利用通用的模块程序，这来源于参考文献的9，10，这是足够灵活的，因为它允许处理不同结构和运行特点的模型，并被建模为多相系统方案。通过对建模的应用，它能够清晰地捕捉参与磷酸生产过程出现的现象。所采用框架允许利用随机优化技术对大量的替代处理选项进行筛选，根据指定的性能指标有针对性的改进过程绩效。一个工业磷酸生产过程作为一个测试平台对所采用的框架有目标的实施，举例说明所采用的设计策略的特点以及生成一个现实生活中的设计问题，提出不同的设计见解。2.设计问题和解决策略2.1湿法

8、磷酸生产过程的描述工业上磷酸生产的主要工艺是湿法制磷酸，包括单级和再结晶过程。单级过程包括一个单一的反应结晶步骤和最常见的磷酸生产的脱水及半水过程的路线。再结晶过程包括在石膏分离阶段加入稀硫酸，并作为一个组合的脱水和水合过程的实现工段。采用湿法生产磷酸在反应器中方便混合物与硫酸和磷酸水溶液中磷酸盐岩的接触。这种现象可以通过以下两级反应描述： Ca3（PO4）2CaF2 +6H3PO4 4Ca（H2PO4）2 +2HF （1）Ca（H2PO4）2 +H2SO4 +nH2O 2H3PO4 +CaSO4nH2O （2）在石膏产品中可脱水（N = 2），水（n = 0.5）或只有硬石膏（N = 0）。

9、在文献的基础上，提出了参考文献 7 ，在第一阶段从回收的磷酸氢离子酸腐蚀磷矿颗粒（以氟磷灰石表示）生成磷酸二氢钙（Ca（H2PO4）2）。在第二阶段，形成的磷酸二氢钙与硫酸反应生成磷酸和不溶性硫酸钙（石膏）。在反应器中随着磷矿颗粒溶解，硫酸钙过饱和时，形成石膏结晶等现象，包括成核和晶体生长。淤浆反应生成的部分是导致固体硫酸钙晶体从产生的液体磷酸机械分离过滤产生的。在这种情况下，大多数领域或工业在文献描述中的生产安排以及在工业上程序列中所采用的（在文献 3 有所叙述），利用一些相互关联的反应器和过滤，通常所产生的酸可部分回收到反应器。以上的描述表明，工业磷酸的生产是通过相互作用的开发和在不同的处

10、理元件之间的权衡的过程来实现的，以求获得高产量的磷酸。磷酸盐岩的溶解条件受到产品的回收速度的影响,进而显著影响硫酸钙晶体的发展。所采用的反应的数量和规模容器也影响着产量以及他们的原料在停留时间的损失，因为磷矿颗粒效果在反应堆的大小和形状石膏晶体以及未反应的固相量残差影响过滤过程中的表现，对回收到的硫的组成和流量反应堆有关系。这些仅仅是少数多方面参与的过程组件之间的相互作用，表明磷酸生产中发生的现象，多向传播。结果，整个影响范围内引起这种相互作用，应考虑在磷酸生产过程的设计阶段。任何潜在设计方法，应该允许发展模式，能够明确地捕捉现有过程的相互作用以及提供场地的决定引导路径出现的最佳的设计方案。2

11、.2 建模与优化框架目前，我们采用的建模和优化在图1所示的框架，为了提高系统磷酸生产工艺的设计性能。一个双向迭代策略，针对双方有效利用一个全面的过程模型的发展以及这个模型，以高度发展的系统开发执行过程的计划。磷酸过程模型使用通用程序模块，为他们提供的功能开发，促进模型的发展和进程优化阶段。模块（在下面的章节中描述）代表通过包容性很强的方程组为了实现单元操作发生的磷酸酸的生产工艺流程，而且进程的任务设置代表着进程，代表着模块，是相互关联包容各方的网络流的过程。模拟提供了机会，评估根据现有的工业/实验模型的特点记录过程数据。功能会导致模型性能不佳，成为进一步需改善的目标。此外，设有被视为不必要的范

12、围，可能导致见解进行调查，可以排除其外迭代循环。迭代过程将继续，直至实现所需的模型结果和工业/实验数据之间的匹配。确定了流程模型有效性后，它在模拟器优化过程中被用作其开发模拟器的优化框架。工艺设计和优化的理念在这项工作中使用的是基于以前的工作，在文献11,12寻址反应分离和分离过程的优化，分别采用随机搜索方法。每个随机生成的状态，代表一种特定的磷酸的工艺方案，是模拟使用的模型，然后在目标函数和约束违反条款进行评估。在适当的决策准则，利用优化算法的实施，大量的筛选过程计划，直到该算法的终止和识别最佳工艺配置就达到了。该工艺流网络，添加或去除的拓扑的处理任务和流流速分布可以采用其他设计参数，为优化

13、设计变量。作为一个结果，参与过程的组成部分之间的相互作用和权衡的深入探讨，得到的最佳工艺流程的设计见解的基础上进行优化搜索过程中产生的。该框架允许进一步的设计要进行迭代，因此，通过将它尚未把握的获得的知识 再在工艺设计。迭代过程允许工艺特点缺乏积极的设计的影响被删除，而有用的功能，可以通过精致的设计约束和偏见，除了进一步探讨。图1 建模与优化框架2.3流程描述和建模的概念所提出的设计框架中的一个关键因素是使用磷酸为代表的通用过程模块酸生产过程，因为他们将促进发展包容性的进程模型以及确定最佳的设计方案。本工作采用了通用模块化反应/质量交换单元，称为RMX设备9、10，灵活和紧凑的合成发生在磷酸生

14、产的现象流程中。单位遵循离子的概念反应器网络综合开发13、14。它由在系统中的每个阶段或状态，目前的划分根据调查和进入划分的流跨阶段或扩散边界的交流质量。每个划分接收在其规定的进口和交流的质量流与其他规定在跨越规定边界的划分。从划分内的污水，要么离开单位或内反应结构。图2所示一个RMX设备的示意图。现象，如质量或热交换，动力学方程，汽-液-固相平衡等，在模拟图内参考图2。混频器和分离器前和划分模块，分别担任数据流和源传入和传出的过程流，从而促进互联互通模块。让SEM是集合RMX单元包括一磷酸 生产流程。下列方程组提供质量平衡实现的通用表示工艺流程： 搅拌机的质量平衡： 质量平衡的RMX单位 ：

15、质量平衡分离器：总质量流量：体积流量：成分浓度：图2 RMX单元概念图式表征图3显示了使用的变量的方程式。2.4.功能应用方法的表示存在的质量在不同阶段的划分之间的交流可以建立或删除。这使得反应和传质现象的关联之间通过设置aci,p,l=0.的划分。在这种情况下RMX设备降低到一个混合反应器（图4a）。通过适当的反应操纵和传质方程（4）可以实现各种组合之间的划分，如同时存在的一种反应和非反应的单位之间的传质，（图4b）或两个非活性单位与传质（图4c）。通过妥善处理aci,p,l（+or）的标志，它是可能的表明之间的传质方向的划分。图4在单、双相体系的活性和非活性单位的存在：（a）单相无功的单位

16、；（b）两相reactivenon反应单位；（c）（b）两相功单位（4）式中的反应和传质特性允许的状态，从而导致在磷酸生产流程建模的不同级别的细节设计隔离。图5展示这样的一个例子，在一个单一的相反应单元可以在一个两相非反应单元相同的流程并存。所采用的过程表示的另一个重要特点是允许的互联单位用于流程中，表示程度高。所有可能的组合的连接单元包括流程中的实现。图6显示模块之间的潜在联系的一部分，包括循环图5。在同一流程单和两相单位存在。和旁路流，侧进料和副产品的选择。回收或绕过也可实现的不同阶段，但有一个额外的单位，允许的相位变化操作的实现。更多的连接，实现在图6是可能的，但并不以维持该图所示清晰度

17、。图5.在同一流程单和两相单位存在图6.潜在的互连工艺RMX单位的组合3. 磷酸生产过程的现象表示 正如前面所讨论的，两个主要的操作中使用的磷酸生产的反应和过滤。在反应阶段中，随着磷矿进入反应器由于硫酸以及回收磷酸与之作用转化为磷酸。这一现象以及相关的假设已通过参考文献 7 彻底的讨论，参考文献 7 以数学描述磷矿颗粒的溶解组。随着磷矿溶解，硫酸钙的过饱和导致的核，逐步成长为完全形成的石膏晶体的形成。参考文献 7 提出的模型的硫酸钙的过饱和度和晶体生长速率，而产生的晶核数目以及晶体的特定表面的建模使用的参考文献 3 提出的方程。用于磷酸生产过程一部分的水在反应蒸发。蒸发是主要归因于从反应料浆硫

18、酸稀释所产生的热。参考文献 3 提出的反应器中的水蒸发模型的实证方法。在公开发表的文献的过滤器使用辅之以有关过滤效率假设的质量平衡经常建模。在这项工作中，我们提出了滤波器的模型方程，将两者的泥浆和过滤器组件的物理特性的使用。磷酸生产中，普遍使用的是过滤式旋转真空过滤器。过滤过程的实现几个阶段作为滤波器的旋转。在最初的几个阶段的浆料洗涤每次使用前一阶段得到的液体，而在最后阶段用清水。一旦固已充分耗尽他们去除水或机械。在这样的背景下，设计方程在文献 15 提出了可应用于每个过滤阶段模型的滤波操作。4. 工业的案例研究所使用的建模和优化的框架说明通过工业感兴趣的一个广泛的案例研究，对现有的单级的实际

19、运行数据脱水磷酸生产过程，一个类似于在文献 3 的描述，是可用的。案例研究的目的是验证所提出的框架，在湿法磷酸生产过程中的应用设计过程以及设计方案的研究感兴趣的工业用户。我们首先讨论的应用框架的实现在手工业过程的有效的数学表示，并提出详细的利用不同的设计案例研究的优化策略。4.1生产磷酸的主要装置采用磷酸生产厂的主要过程包括两个CSTR反应器的过滤过程。图7提供了一个全面的多阶段表示磷酸生产设备的利用进行了案例研究。反应堆代表组成的两相体系反应性浆、气相室，而该滤波器由非反应性浆和固相室。两个循环源自滤浆相流LED的混频器之前在磷矿硫酸形成反应物在反应器（SF1、SF2）也加入了。搅拌机的过滤

20、器之前获得等量的水（SF3）的过滤操作的要求，而产生的石膏晶体分离成浆固相。值得注意的是，反应2代表的的是方程（1）和（2）磷酸生产。在反应器1中中采用不同反应是根据所提供的工业数据：（脱水） （11） （结晶水） （12）图七 工业磷酸生产过程的多阶段模型过滤模型，在第3.6节中讨论的，可以通过一系列的加工程序，即输入的石膏进行不同的处理条件来表示。这种条件主要包括石膏洗涤液中所造成的过滤特性再循环流，并导致图7中的回收组分的浓度分化流1和2，在我们的建模方法，它假定该过滤器是一个单级过程不考虑固有再循环流。这些流中的在循环浓度的影响流1和2是通过假设各组分的质量分数包含在这些数据流是固定的

21、（由可用数据提供的工业操作规范），而它们的流速可能有所不同。它进一步假定所生成的滤液仅由液相成分组成。 图7中描述的单元之间的连接是通过方程（3）-（10）中使用的向量SFRi,j,p来实现的。图7的流程这个向量以图8 的形式所示。大约50%的质量流量的浆液过滤出口再循环到反应器1中，在相同的流的质量流量的20被回收在反应器2，而其余30的离开过程中，通过产品流和被计算为使用该分离器的质量平衡副产物。质量流量下的反应器中离开反应器1和2，通过分离器的全部量（100）是导致后续处理单元。在每个处理单元的不同阶段隔间之间的物质转移，是通过图8b中的aci,p,l来实现的。aci,p,l向量中的元素

22、暗示了隔层间的质量流量的方向。 （a） （b）图8此过程中所执行的SFRi,j,p和aci,p,l向量4.2.工业磷酸生产的优化过程4.2.1.优化方法概述采用建模的方法结果在流程模型中,将用于现有磷酸生产过程的优化。正如前面图1所示,流程模型用于计算过程性能指标的估计目标函数的形式受到约束代表所需的性能限制。使用性能测量和约束是利用随机优化算法评估,因此引起决策路径,将导致优化设计选择。执行优化的目的是寻求高性能的目标的过程以及提出处理方案来实现这些目标。现有工艺的简单的结构将通过在流程中的额外的结构元件，表示为在最优化问题的设计变量的掺入进一步提高。因此，传统的和新的结构方案，将研究作为流

23、程改进性能的潜在的候选。4.2.2.目标函数公式可以提高该过程的一个关键参数是磷酸在过滤器的产物流的质量分数，因为过滤后的磷酸进一步浓缩将需要更少的能量，可以产生含产品的高价值的磷。可以结合包含在产品流在过滤器中的石膏流和硫酸还原磷酸损失减少，使产品的纯度增加。然而我们尽量减少磷酸在石膏流以及水和硫酸的量的损失的目的是最大化的增加磷酸在过滤产品中的含量。方程（13）给出了采用目标函数，它是基于利用随机优化算法的要求制定：方程（14）（18）是一些约束的的表示。在石膏出口流和产品流中的磷酸石膏质量分数必须超过现有的工业过程（基本情况）。此外，在石膏和产品流的硫酸量不得超过现有的工业过程。最后，在

24、产品流的硫酸质量分数不得超过1.5%：上述一系列约束条件和目标函数是用以指导优化搜索对处理方案,提高使用工业过程的性能。此外，它允许通过提高在设计处理选项产生多样性的分析。继利用建模和优化框架，通过实现连续的设计迭代设计的分析，如第2.2节中讨论的，最终可能导致松弛的约束或加强，以确定所设计的加工中可能有用的权衡计划。4.2.3设计变量 额外的处理任务和回收/旁通流，运行参数并跻身处理组件流的流速分布范围存在作为设计变量，以便在执行优化过程中产生的处理方案不同的组合。所采用的设计和优化框架的功能没有被任何物理的或人工的约束的任何类型的，前面描述的设计选择数量或组合可以任何期望的数值范围内的优化

25、搜索过程中可以变化的限制。在这种情况下，我们应用中所采用的设计变量的上限和下限，以便控制设计的复杂性，但也考虑到容易实现从工业的角度看所提出的设计的。中可用的过程数据接近推出了优化搜索很可能会导致进程计划，更容易被工业用户应考虑实施。另一方面，更广泛的优化搜索被预期会导致更高的性能的方案，但也增加了设计的复杂性。除了在工艺操作参数范围的实施，我们认为一个上界包括工艺流程，如反应器和过滤器的处理任务。我们还考虑在主动回收/旁通流的上限和下限（即可以通过流程来进行材料）以及为这些流的流量分布。换句话说SFRi,j,p向量的元素之间的不同组合进行调查，并进行了优化，其目的识别达到比现有工艺的最高可能

26、的改进范围的组合。所采用的上界和下界列在附录B。4.2.4通过模拟退火算法（SA） 随机优化方法以SA 16 中的形式用在本研究中。 SA是一个统计优化冷却技术,生成一个偏置随机搜索和采用蒙特卡罗模拟变量概率下时间表。在SA,使用流程模型是用来模拟偏置随机设计变量转换实现,因此产生的顺序一代不同的处理方案。每个新生成的处理方案评估是基于概率的时间表是一个函数的使用性能指标（目标函数）和一个SA算法变量称为退火温度。在退火温度高,处理方案,可以改善或恶化之前评估的性能设计的概率可以被看作是一个潜在的优化设计选项,因此引起以前未知的搜索方向。预先给定的目标函数执行评估在恒定的温度下,以确保足够的设

27、计多样化的实现优化搜索。退火温度逐渐降低,速度的性能已经占调查过程计划,执行搜索是集中带领的高度进行设计选择。基于统计优化搜索终止终止准则,旨在确保最优解决方案已被确认。在这项工作中SA是继其适应分离过程中所参考文献12的设计实现。仅举几例，SA在化学工程领域的进一步应用包括工作在分子设计17,18和反应/分离过程的合成 11 。5.工业过程建模和优化结果利用现有的工业数据所采用的建模和设计框架的实施可分为如下五个建模和设计任务。最初，可用磷酸生产装置的模型的计算，以测试所采用的方法的有效性。开发模型然后进行优化使用大量的设计和操作的选择设计变量,目标是调查结构过程改变,可能会增加过程的性能。

28、第一个设计案例研究引入额外的回收和循环流，在现有的工业过程的影响。在第二和第三例，现有流程的进一步增强，与反应的增加和中间过滤，分别，和添加的组件是通过一个全面的交互网络对他们的相互作用的研究。在最后的设计案例，结合脱水半水磷酸生产问题和与工业数据。表1模型预测值与工业数据的比较 工业数据 模型预测 相对差（%）产品中的（%） 30.5 31.4 2.951号反应器输出（%） 16.0 15.7 1.872号反应器输出（%） 20.0 20.9 4.5产品总流量（t/h） 59.41 60.9 2.5 石膏总流量（t/h） 111.41 111.47 0.05反应器1的总输出流量 （t/h）

29、149.31 148.65 0.44反应器2的总输出流量 （t/h） 217.85 217.82 0.01循环1的总输出流量（t/h） 101.16 104.0 2.8循环1的总输出流量（t/h） 41.6 42.32 1.73反应器1中的密度 （kg/m3） 1482 1479 0.2反应器2中的密度 （kg/m3） 1537 1542 0.335.1. 磷酸生产装置的建模 表1给出了图7中提出的模型的结果。这些结果在关键过程的流量和组合物与工业数据进行了比较。结果表明在0.014.5%范围内与最值0.22.95%有一个相对差。它似乎是工业和模型计算数据之间的一场势均力敌的较量。对于工业和模型计算数据，参考文献 7 中也用类似的设计方程结果中也有一个类似的相对差范围（0.423.46%）。根据参考文献 3 工业磷酸生产过程的转化度的范围从85%到95%。在本研究中，转换模型计算度超过95%，在工业过程中的调查提出了一定程度的约90%的转换。为了实现的现实表示手头的过程我们采用了90%的价值转换的程度进行了计算。在模型计算中使用的