1．引言
磷酸萃取槽料漿中SO3含量是濕法磷酸生產(chǎn)中一個(gè)很重要的控制指標(biāo)。生產(chǎn)上通過控制該含量在一定范圍內(nèi)，一方面使反應(yīng)過程得到合適的磷石膏結(jié)晶，便于后續(xù)的過濾操作；另一方面指導(dǎo)控制反應(yīng)中原料濃硫酸的加入量，以控制生產(chǎn)成本。在工業(yè)生產(chǎn)中，通過定期化驗(yàn)該指標(biāo)以指導(dǎo)生產(chǎn)。由于常規(guī)化驗(yàn)頻率低，通常為一、二個(gè)小時(shí)化驗(yàn)一次，因而不能及時(shí)指導(dǎo)控制；另外，常規(guī)取樣難以顧及反應(yīng)釜內(nèi)濃度分布的差別，所取料樣并不一定具有代表性，生產(chǎn)操作常出現(xiàn)工藝指標(biāo)超調(diào)等大幅波動，不利于提高經(jīng)濟(jì)效益。
軟測量技術(shù)用于預(yù)估生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵變量，在許多過程控制領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。常規(guī)軟測量模型通常為靜態(tài)模型，只考慮變量之間的單點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)比較大的波動時(shí)，通常不能得到正確的預(yù)測結(jié)果甚至失真。數(shù)據(jù)點(diǎn)瞬時(shí)值通常帶有野值，不能很好的反應(yīng)真實(shí)過程的情況。因此，需要一種結(jié)合動態(tài)機(jī)理凸嘆櫚娜聿飭磕Ｐ突蠆唄?，轿r玫拇肀淞恐淶墓叵擔(dān)云讜諫討姓返母鱸げ飩峁拚蘋偷鞫戎噶?，提竾池謸洚平?
2．工藝簡述
某公司磷酸生產(chǎn)II系列裝置采用二水法生產(chǎn)磷酸，反應(yīng)器為方格多槽反應(yīng)器。生產(chǎn)的工藝主要包括反應(yīng)和過濾兩大系統(tǒng)：反應(yīng)系統(tǒng)用硫磷混酸分解磷礦生成磷酸料漿，用強(qiáng)制循環(huán)低位真空蒸發(fā)冷卻料漿，移走反應(yīng)放出的大部分熱量，并將含氟尾氣送洗滌系統(tǒng)處理達(dá)標(biāo)后排放。過濾系統(tǒng)是在真空抽吸過濾條件下，采用逆流洗滌工藝，將從消化槽泵送來的料漿進(jìn)行固液分離和洗滌，提高過濾強(qiáng)度和洗滌率以保證產(chǎn)品磷酸質(zhì)量。洗滌過濾后的磷石膏經(jīng)處理后送至石膏轉(zhuǎn)運(yùn)廠。
磷酸生產(chǎn)過程裝置簡要流程圖如圖1所示。
圖1 磷酸生產(chǎn)裝置簡要流程圖
在磷酸反應(yīng)槽中，進(jìn)行硫酸置換磷酸的化學(xué)反應(yīng)，其總反應(yīng)表示如下：
此外，原料中含有部分MgO，SiO2等雜質(zhì)，在反應(yīng)槽中與反應(yīng)原料或中間產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成少量的副產(chǎn)物。
3．軟測量模型
在二水法磷酸生產(chǎn)中，硫酸作為主要的生產(chǎn)原料是過量的。反應(yīng)槽中未反應(yīng)的H2SO4，即游離SO42-離子（用SO3表示，下同）含量是濕法磷酸生產(chǎn)中一個(gè)很重要的控制指標(biāo)。生產(chǎn)上主要通過控制該含量在一定范圍內(nèi)，一方面使反應(yīng)過程得到合適的磷石膏結(jié)晶，便于后續(xù)的過濾操作；另一方面指導(dǎo)控制反應(yīng)中原料濃硫酸的加入量，以控制生產(chǎn)成本。為此，本文提出了一種SO3含量機(jī)理模型，結(jié)合浙江中控軟件技術(shù)有限公司APC-iSYS-A實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫平臺和APC-sensor軟測量系列軟件，構(gòu)造了一個(gè)軟測量系統(tǒng)對該指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。
在本軟測量系統(tǒng)中，磷礦反應(yīng)機(jī)理模型計(jì)算作為工藝計(jì)算的主要部分,主要完成反應(yīng)中殘留H2SO4含量的計(jì)算。
首先將反應(yīng)機(jī)理簡化如下幾個(gè)主要反應(yīng)：
（1） CaO+ H2SO4à CaSO4+H2O
（2） MgO+ H2SO4àMgSO4+ H2O
（3） CaSO4+2 H2O à CaSO4·2 H2O（微溶）
原料濃H2SO4主要是由磷礦中的CaO反應(yīng)消耗。反應(yīng)溫度在80℃左右。反應(yīng)速度由擴(kuò)散步驟控制。生成磷酸的轉(zhuǎn)化率在96％左右。反應(yīng)后溢流到結(jié)晶槽使結(jié)晶長大，再由泵抽出過濾。
磷礦中的MgO對液相SO3含量的控制影響較大。MgO反應(yīng)后生成的MgSO4將全部進(jìn)入磷酸中，造成液相中表觀SO3濃度升高，因此對含MgO較高的磷礦就必須同時(shí)考慮MgO消耗的硫酸。
建立的數(shù)學(xué)模型基于以下幾點(diǎn)假設(shè)：采用全混流CSTR反應(yīng)器描述；萃取槽反應(yīng)器中CaO與H2SO4反應(yīng)，H2SO4是過量的；反應(yīng)速率由擴(kuò)散控制，反應(yīng)過程無固態(tài)膜形成；SO3濃度在料漿中溶解度極高，不考慮其他析出或損失。由此將反應(yīng)器模型簡化為連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料的全混流反應(yīng)器，根據(jù)上述得到的反應(yīng)方程山ひ搗從ζ韉氖Ｐ捅硎鑫?
在生產(chǎn)工藝的分析過程中，注意到影響反應(yīng)速率的主要因素并不是動力學(xué)反應(yīng)因素，而是反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散速度，因此，在對式（1）計(jì)算反應(yīng)速率關(guān)系時(shí)，并不直接通過反應(yīng)動力學(xué)關(guān)系式，而是通過對生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀分析，經(jīng)物料平衡獲得。實(shí)踐證明，這樣的處理不僅能避免偶然因素引起的裝置生產(chǎn)數(shù)據(jù)異常波動帶來的不良影響，有較好的魯棒性且軟測量預(yù)測趨勢也符合裝置實(shí)際情況。
4．系統(tǒng)組成
4.1 硬件配置
該磷酸裝置軟測量系統(tǒng)是在ABB公司Freelance2000控制系統(tǒng)平臺上實(shí)施的。控制系統(tǒng)分為兩級：操作管理級（操作站OS、工程師站ES及網(wǎng)關(guān)GS）和過程控制級（過程站PS及現(xiàn)場控制器AC800F）。采用軟測量上位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)。軟測量上位機(jī)采用Dell PC機(jī)，操作系統(tǒng)為Windows2000server；通過HUB，與安裝有Freelance2000 opc server的工作站聯(lián)在以太網(wǎng)上，由于該操作站已經(jīng)與DCS控制站通過V－net建立了數(shù)據(jù)傳送的物理連接，這樣軟測量上位機(jī)系統(tǒng)也就與DCS控制站實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳送的物理連接。軟測量系統(tǒng)與DCS控制站兩者的數(shù)據(jù)交換是通過OPC標(biāo)準(zhǔn)接口來實(shí)現(xiàn)的。
OPC通訊接口軟件由OPC Server和APC-Sensor軟測量系列軟件的標(biāo)準(zhǔn)OPC 接口組成。OPC（OLE for Process Control）是與設(shè)備無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，通過OPC服務(wù)器訪問過程數(shù)據(jù)，可以克服各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的差異，具有廣泛的適用性。目前，OPC Server 安裝在工作站上，負(fù)責(zé)軟測量系統(tǒng)與現(xiàn)場控制站FCS之間的數(shù)據(jù)通訊。軟測量系統(tǒng)則作為OPC Client，通過Ethernet實(shí)現(xiàn)與軟測量上位機(jī)上OPC Server的數(shù)據(jù)交換。硬件通訊結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 硬件通訊結(jié)構(gòu)示意圖
4.2 軟件配置
軟測量系統(tǒng)主要應(yīng)用軟件為由浙江中控軟件技術(shù)有限公司研究開發(fā)的以下軟件：（1）ESP-iSYS-A先進(jìn)控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；（2）APC-Sensor智能軟測量軟件。其中先進(jìn)控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)ESP-iSYS-A通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)OPC服務(wù)器的通訊，通過組態(tài)實(shí)現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的集成。機(jī)理模型通過先進(jìn)控制數(shù)據(jù)庫平臺ESP-iSYS-A中附帶的vba腳本運(yùn)算工具實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算，結(jié)合軟測量軟件APC-Sensor 和所附帶的數(shù)據(jù)校正軟件APC-Labvalidate進(jìn)行模型滾動和偏差校正。智能軟測量軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 智能軟測量軟件結(jié)構(gòu)示意圖
4.3 操作界面
軟測量系統(tǒng)在實(shí)施時(shí)需要有數(shù)據(jù)輸入窗口，以便于定期輸入化驗(yàn)值對模型進(jìn)行校正，對本軟測量模型，由于核心機(jī)理模型需要使用到過程中一些有小幅變化且對預(yù)測結(jié)果有重要影響的過程參數(shù)，需要在當(dāng)裝置數(shù)據(jù)發(fā)生比較大的變化時(shí)模型能夠及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，因此設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)輸入窗口作為軟測量的操作界面如圖4所示。
圖4軟測量系統(tǒng)操作界面
5．應(yīng)用效果
考察本軟測量系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)預(yù)測值與化驗(yàn)值對比曲線如圖5所示?？梢姡寒?dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，預(yù)測值與化驗(yàn)值趨勢一致，并且有較好的預(yù)測效果。
圖5 磷酸II系列萃取裝置SO3預(yù)測值與對應(yīng)化驗(yàn)值比較曲線（I）
（2006年03月15日16：00至2006年03月24日7：00共196套數(shù)據(jù)）
由于本軟測量模型為動態(tài)機(jī)理模型，因此對裝置停車或異常情況產(chǎn)生時(shí)也應(yīng)有正確的預(yù)測結(jié)果。特別對本裝置中，經(jīng)常由于原料性質(zhì)等異常狀況發(fā)生短期停車，按照機(jī)理模型的假設(shè)，假定物料反應(yīng)槽中轉(zhuǎn)化率非常高，在沒有進(jìn)出料的情況下，其SO3濃度應(yīng)該保持不變；此外，裝置異常情況發(fā)生后，軟測量系統(tǒng)也應(yīng)該能及時(shí)進(jìn)入下一輪預(yù)測計(jì)算的狀態(tài)。
6．結(jié)論
通過對軟測量系統(tǒng)功能和性能的測試以及軟測量模型精度長期考核測試，可以得出以下結(jié)論，在軟測量系統(tǒng)功能和性能方面：經(jīng)過長時(shí)間檢驗(yàn)，軟硬件系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠。軟儀表預(yù)測趨勢與化驗(yàn)室分析值的趨勢相符，能夠作為提供給裝置操作工程師參考指標(biāo)，為生產(chǎn)控制硫酸加入量提供可參照的指標(biāo)。特別是當(dāng)實(shí)驗(yàn)誤差過大，僅僅依靠化驗(yàn)值有可能會對裝置現(xiàn)狀進(jìn)行不恰當(dāng)?shù)呐袛喽鴮?dǎo)致誤操作，預(yù)測值能夠?qū)Σ僮鬟M(jìn)行有益指導(dǎo)，為進(jìn)一步挖潛產(chǎn)能與降耗、產(chǎn)生更大的效益提供了依據(jù)。
（轉(zhuǎn)載）
