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克劳迪奥·莱,维克多·弗洛雷斯卡罗莱纳州Aguilar, ”计算机模拟模型,生成硫酸,提高操作的结果,使用从化工厂操作数据”,杂志上的传感器, 卷。2020年, 文章的ID8873039, 10 页面, 2020年。 https://doi.org/10.1155/2020/8873039
计算机模拟模型,生成硫酸,提高操作的结果,使用从化工厂操作数据
文摘
集成传感器和模拟在一些工业过程已收到大量增加在最近几年,由于结果如提高产量指标或经济指标的改善。本文档描述了基于仿真的计算机的开发和验证过程生成硫酸。这个过程,由模拟生成的数据之间的固定床催化反应器和获得的结果使用真实的数据在Antofagasta地区硫酸生产工厂,智利,已经被使用。硫酸生产装置是专为每年生产720000吨的硫酸,产能的26个兆瓦,用于自己消费和大北互联系统的缩写(唱歌、西班牙语)和240000吨/年硫磺消费。的仿真过程,转换器输入变量如温度和气体流量后观察不同业务场景下被认为是氧化行为。,提出了工作方法和软件Aspen建造®是用于仿真。仿真结果验证使用设计公司提供的操作数据。真正的结果表明99.9%的调整有关使用仿真获得的值。基于研究结果,创建新的操作场景,和模拟器实现确定的经济指标: 和 %月度生产增加了6%。
1。介绍
铜浸出采矿生产,最重要的一个输入是硫酸。最近,硫酸的产量增加了,特别是在过去几十年里,由于浸出成堆的创建,是企图使铜开采更可持续和尊重的活动环境。在一般工业过程中,硫酸生产通常消耗了大量的能源。作为替代的能源消耗和作为一种循环经济,在某些特定的生产工厂,目前实现电能生产与硫酸生产周期相同。
生产硫酸的方法之一是使用固体硫磺作为输入。在智利北部,特别是Antofagasta地区,一个元素硫燃烧过程被用于生产硫酸和电能,这是用于自己消费(每年产生约30%的电能),其余被并入电网的叫做大北互联系统(唱歌,首字母缩写是西班牙语)。该公司是获得良好的利润,这个过程;然而,这还远远没有达到最佳的性能,根据其装机容量。植物是专为每年生产720000吨的硫酸,由于硫燃烧所产生的热量,它还可以生产26兆瓦的电能。以前经历的描述(1- - - - - -4)表明,植物设计允许生产的输入如铜矿业盈利活动。
根据工厂设计、生产数量大约每天2060吨硫酸,代表每年24720吨(约5%的能力)。要做到这一点,必须每天使用约680吨硫。另一方面,通过一个高效的热电联产过程中,该公司注入唱每年约有145妇女,有效地利用在硫酸生产过程中产生的热能。该公司报告的240000吨/年硫磺产品的消费。这种工作使公司产生两种产品,部分会议市场的需求需要硫酸和通过出售电能获取额外的利润。在这种背景下,公司设置以下目标:提高电厂性能的优化生产过程。
为实现这一目标,作者(5- - - - - -11),一个模拟过程研究提出了硫酸和电力能源生产。本文用软件仿真的相关性进行了专门用于模拟化学工厂运营过程和得到的结论比较仿真结果与实际结果后工厂操作。使用这种工作方式,操作场景,允许增加生产和改善公司盈利能力被确认。根据上述情况,建议进行了催化转化器仿真通过使用软件Aspen建造®教育许可提供的阿斯彭技术,Inc .,已广泛用于各种生产过程的深入分析和优化(12- - - - - -18]。这个工具允许通过操作更改分析性能和模拟过程使用公司提供的设计数据。
模拟器的目的是评估之前为了优化的操作参数在每个床和氧化,通过这种方式,产生大量的硫酸。简而言之,目标是实现一个模拟器的催化转换器使用软件Aspen建造®(版本9.0幼儿教育软件许可),验证和建立催化转化器的模拟范围,最后,经济评价的影响将模拟器应用于新的操作场景。
在以前的工作原理就像(11,19),阿斯彭的使用和验证的结果“®软件介绍,和其他先前的研究使用一些类似的仿真过程学习和提高化工厂的结果。例如,在[20.),一个模型基于实际操作情况下的模拟和分析结果在智利的一个工厂。对于这种情况,这个过程和操作条件进行了分析改善系统的转换。一些工作如上面描述将传感器信号和数据处理技术以提高精度仿真和结果的能力。这种工作的例子介绍了(21,22分布式控制系统(DSC)结合模拟用于上述目的。
2。材料和方法
本研究使用模拟数据生产过程从植物中分离得到。过滤液体硫磺和存储过程,硫磺燃烧等2代,催化氧化2所以3、硫酸生产、高,低压蒸汽生产和电力能源。
这个生产过程的主要输入液体硫磺。液体硫磺生产包括以下操作:固体硫磺接待、冶炼、过滤、和存储。图1显示了硫酸和电能生产过程描述如下。
固体硫磺收到ATS塔(图1),然后通过传送带送到储存区域接近熔化和过滤部分。融化槽包括两个部分。第一个收到固体硫磺和融化它通过蒸汽线圈,稍后发送第二部分的液体硫磺。有两种可供选择的方案来控制液体硫温度。在第一个,蒸汽线圈浸在用硫磺冷凝热水箱提供它。第二种方法是使用的硫循环泵,使部分液体硫通过热交换器(IC,西班牙语)的首字母缩写。这就增加了硫温度并将其返回给坦克促进冶炼。
第二部分包含液体硫磺的融化槽是一个precapped区。在这里,一个水下不纯的硫从坦克到主泵源硫硫过滤器,这是一种表过滤器。
参与以下系统2代:硫磺燃烧、锅炉、空气干燥,柴油供应。
在这个阶段的过程中,发生以下反应:
储罐的液体硫磺作为主要燃料。锅炉的主要功能是把热量从硫磺燃烧气体的水将用于蒸汽循环。因此,气流冷却到420°C,然后进入转换器。干燥的空气由鼓风机从大气和获得发送的干燥塔,后来进入干空气进入燃烧阶段。如果湿度存在,损害了炉燃烧器或不必要的二次反应发生。干燥发生在干燥塔当湿空气接触硫酸。
干燥塔(DT)是一个设备内涂层耐酸陶瓷砖。它有一个圆顶相同的材料填充,也制成的陶瓷,是支持。填充高3.5米,用于增加气液交换表面。在塔之上,灌溉系统,允许一个均匀分布的酸和网状过滤器捕捉酸雾滴拖的上升气流。
在改变2所以3涉及以下系统:(我)催化转化器(2)省煤器1、过热器1和过热器2(3)气气集成电路
在这个阶段的过程中,发生以下反应:
从燃烧炉进入四步催化转换器流接近167000海里3/ h和420°C。304 h的转换器是由不锈钢支持高操作温度。三个已定义过程中使用的温度范围;标签的高、中、低已经分配给范围的详细表1。
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个人之间的分离板架焊接。催化剂,五氧化二钒(V2O5支持)颗粒的形式,在不锈钢机架间距孔和覆盖着一层intalox陶瓷马鞍。
转换器的保温符合下列要求:优化高层能量回收,尽量减少损失的高层能量辐射,保护设备在温度低于露点及其随后的腐蚀,并保持系统内的热量。
后进入催化转换器,二氧化硫( )反应到第一个床,达到60.4%的转换。这包含三氧化硫气体( )出去在中等温度下标签,在反应过程中,由于热解放之前,必须冷却到床上2。过热器2完成这个任务,像其他IC自热氧化转移到蒸汽循环期间解放。一旦气体冷却到低温标签,再次进入转换器通过床2,在氧化和仍在继续达到87.1%的累积转换。再次,气体高温过热器1出去交流,从介质低冷却,温度在床上3。在这里,达到95.2%的转换和气体在气气换热器介质。
这IC冷却气体低标签,它提要中间吸收塔的温度(TAI,西班牙语)的首字母缩写。反应在这个塔通过改变成硫酸,而低温气体在它出标签。这种气体只包含氧、氮没有反应。出于这个原因,气体睡觉4,之前通过气气换热器加热介质标签。在床上,达到99.85%的转换。气出在中等温度下标签,省煤器,冷却下来的标签低,所需的温度喂最后吸收塔(TAF,西班牙语)的首字母缩写。
气气IC包括垂直和水平部分,被认为是独立的设备。它的功能是冷却气体的床上对大(图31),把它逆流接触气体从同一个塔需要加热到返回转换器。
工业必须进行氧化催化剂床因为氧化二氧化硫的气相是运动学上地抑制,使它几乎不可能没有催化剂在一定的温度。在正常温度下反应如此缓慢,以致在实践中,它不会发生。目前,市场上催化剂daisy-shaped戒指,简单的戒指,球形的催化剂。所有类型的市场,该公司使用了daisy-shaped环,因为它有一个更大的接触表面,减少气体流动阻力。
反应发生在催化剂离子水平如下:2氧化包括冶炼催化剂表面的一层。所以2发生氧化钒的复合物溶解,硫和氧,见
上述反应必须有效地进行。要做到这一点,床的温度必须保持在低温标签,因为低于这个温度,催化剂是无效的,不发生氧化。以下系统参与硫酸生产:吸收塔,常见的酸水箱和水泵,常见的酸冷却器,产品酸柜,漏斗。
在这个阶段的过程中,发生以下反应:
这个过程是在填充层塔进行凹底和涂层内部至少有两个耐酸砖层。最大数量的硫酸是大制作。气体从床上3进入通过降低塔的侧流接近157600海里3在205°C / h和11.49%的3体积浓度。这种气体会接触硫酸喷从上部和反应形成硫酸,到塔的底部的一个更大的浓度。酸再98.5%,有必要规范与ATS的水和酸的浓度。这是通过控制自动完成链接。输出流然后走进普通硫酸柜。
TAF接收气体如此2所以3在低浓度的最后床催化转化器。它的包装是不同的,这样它就可以吸收所有的3。由于酸浓度在输出不增加太多,因此,它是直接排放到储罐。最后的气体在这塔是通过烟囱排入大气中。一个如此2自动分析仪安装在出口监测气体排放。此外,氧含量测量,计算作为一个指标2内容在转换器入口。
以避免损坏其他设备和不需要的大气废水有气体过滤器三塔的顶部。TAI和TAF酸雾是由凝结。因此,颗粒小于第一塔。可以过滤这些粒子与蜡烛过滤器的效率高于95%,位于酸分布系统。所有的硫酸电路是连接到一个共同的泵槽涂上两层耐酸砖。这是塔通过酸循环泵。坦克以来保持在高温放热反应过程中发生热酸进入油箱。然而,为了使用它,必须降低其温度通过冷却器。
蒸汽生产,以下系统涉及:水处理、热交换器、余热吸收。硫磺燃烧产生的热量,所以2氧化是恢复生产所需的高压过热蒸汽产生电能。主管设备恢复这个热锅炉、过热器1,过热器和省煤器。
工厂使用海水,首先通过一个反渗透装置,然后去矿化作用的植物。每次治疗后,然后水储存在坦克和治疗植物用于不同的目的。软化水送入除氧器水箱,该删除不冷凝的气体,以避免过热器的腐蚀,IC,或锅炉。此外,此柜接收冷凝物和低压蒸汽从其他阶段。表2包含一个简短的描述过程中使用的设备和它们的功能:加热器1和2,省煤器和锅炉。
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省煤器1是用于冷却床4 TAF的气体出去。这样做是因为它接收软化和水。水的蒸汽圆顶,它就失去了它的一些压力和加热,出去,饱和蒸汽过热器1所示。蒸汽的设备足以让涡轮工作。在经过涡轮,蒸汽进入过热器的一部分,由于注水,变化成低压蒸汽。这部分蒸汽用于加热融化,而其余回到除氧器。大部分使用的蒸汽涡轮机去一系列冷凝器作为冷凝除气器,然后返回循环重新开始的地方。
设备负责恢复产生热量燃烧炉是锅炉和蒸汽圆顶。大部分的高压蒸汽从工厂发送到涡轮产生电能。提取的一小部分蒸汽涡轮机和返回到植物用于融化和加热区。涡轮,用于生成26兆瓦,是这个阶段的主要设备,用于改变旋转机械能从高压蒸汽变成电能。涡轮机的蒸汽出去被水浓缩在一个冷凝器冷却。给水的冷凝回收罐的工厂。
3所示。方法
方法由四个阶段组成。以下变量被认为是在这个过程:每个床的温度和出口和入口流(4床被认为是在仿真和实际操作);所以2,所以3阿,2和N2体积百分比;和累积转换。(我)过程的研究。在这个阶段,了解植物研究工作获得硫酸和电能。目的是了解它,准备实验(2)模拟。在这个阶段,数据生成和准备按照仿真特性(3)模型可视化和验证。在这个阶段,仿真结果是观察和感兴趣的参数的值和过程输出(硫酸和电能)与实际操作的值来检查其有效性。定义一个参数确定的验证结果,之间的线性回归系数得到的值提供的模拟器,通过比较该公司提供的数据。验证结果,调整了每个变量的值大于或等于0.95,同意该公司(iv)结果分析。在这个阶段,分析的目的是为公司建立如果结果是有趣的。这样做是通过分析模拟的结果是否在不同的床做或不会导致产量增加资源的使用是否或不是在这些流程优化
下面描述的方法步骤进一步。第一阶段始于该公司生产过程的研究,特别是研究催化转化器后开发一个模拟器。仅供系统中气体的相互作用,一些模型如SRK, APL, Peng-Robinson方程和检查,如方程所示(5)。
仿真模型是基于方程下面突出显示。首先对我们的工作,一般的流程是基于热力学模型中描述方程(5)。这个模型的方程(5)是最合适的,因为它是获得的少不稳定的压力和温度的结果,根据特定的化学过程。模拟策略是用于催化转化器和不同热交换器参与这个过程。每个床上都独立解决,也就是说,每个床模拟连续搅拌釜反应器(装运箱)和不同的热交换器壳管集成电路。
此外,仿真的数学模型,平衡的物质,能量,和压降。为此,方程(6)- (8)使用。
模拟反应器床,首先,以下速度常数,活化能( )和preexponential因子( ),必须解决引入他们的程序,然后选择最合适的反应堆,根据仿真的特点。反应进行的这些反应堆必须设定在“®,基于速度常数,所示
将这些数据输入到阿斯彭“®,反应热力学参数必须一致,速度常数由方程(13)。以下总结了方程,活化能( )和preexponential因子( )仿真加工和整合。 与 和 K
遵循理想气体常数 和 K,已知数据所示所取代
这个过程是进行所有速度常数,结果
有两个反应模型在阿斯彭“®。在这项研究中,所使用的反应模型利用动力学参数。它们涉及反应堆的流型和几何特征的模拟。此外,反应速度的表达式必须是选择。在这种情况下,它是催化异构。反应过程的配置仿真如图2;流程从左到右。
反应堆模拟,最合适的是连续搅拌釜式反应器(装运箱),因为它计算反应堆的输出电流的条件下,考虑到完全混合和反应堆的浓度在每一个点都是相同的。这种类型的反应堆可以用于反应在液态或气态阶段,尽管它必须确定。在本例中,它是用于气相。确定装运箱,有必要把一个或多个反应和定义如下:反应器体积,产品输出温度或热转移,产品输出压力或压力降低,反应化学计量学,每个反应和反应速度参数。尺寸,必须确定下列措施之一:体积,直径,高度(中指定一个卧式罐)。
如果定义了圆筒形储罐体积,那么关系 的反应堆3:2,默认情况下。模拟整个转换器,每个床上划分,分别模拟,即,每个床处理作为一个独立的反应堆(装运箱)。第四床,仿真必须调整和工作是用常数不同于前三个,因为这张床只氧化总数的4%,多用于获得一个更大的最终产品,这张床是用于没有遵守法律。19300集的规则建立环境质量规范和这些有关2排放到大气中。
研究模拟器的行为,下列变量在反应堆操纵输入电流:温度、气体流量。输入电流必须操纵,因为它是唯一一个被指定。每个反应堆的输出电流的模拟计算。在过去的床上,还必须指定输入电流,效率是100%认为在吸收塔。换句话说,3进入大厦变成酸。在这一步中,所以的控制变量是反应堆的效率2氧化,也就是如此2外出比例的氧化过程。
最后,一个经济分析是由比较植物生产的新产品可以根据新的操作获得场景中使用模拟器,通过这种方式,来分析在多大程度上可以增加产量。完成验证(第三阶段的最后部分)和最后阶段的方法,设计公司提供的数据与结果提供的模拟器。通过使用模拟器进行验证,测试估计最好的操作配置和/或参数优化过程。
4所示。结果与讨论
总共有603套仿真数据获得21个模拟周期。如上所述,在模拟器中使用的变量和参数为每个床与工厂设计报告中描述的,它显示了每个床的温度和输入和输出流;所以2,所以3阿,2和N2体积百分比;压力;和积累的转换。表3显示了一个示例的输入过程(左边)和输出变量的值;摩尔流;所以2,所以3阿,2和N2(右边)为每个模拟周期的时刻。
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表4总结了值和误差百分比的每个变量的模拟仿真过程的兴趣。最重要的变量之一2氧化温度,因为这取决于催化剂活化或失活。大减少导致更少的氧化和,因此,一个小数量的产品。方程的程序在模拟器上,0.99这个变量回归系数得到,如图3。错误的输入和输出的温度不同的转换器床是0.6%。
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被验证的另一个重要的变量是摩尔流,因为它代表了最终产品的数量,因此通过转换器提供流循环的数量,考虑床之间的损失。图4表明,调整值为0.99,0.04%的误差对所有输入和输出流的不同床,因此,变量可以接受验证。一旦摩尔流验证,其组件分别进行验证,以确保获得的数据是可靠的。验证开始氧化二氧化硫,因为当它的原材料3硫酸;其监测从而能够控制适当的氧化。它还允许检测的数量2释放到环境中,当它的第四个床,它不能被消除。在这种情况下,价值的线性回归系数是0.99 0.5%的错误。
如上所述,3是生产硫酸的原料。因此,至关重要的是,模拟器提供了准确的百分比值这个组件的气体。检查所提供的值的有效性模拟器,进行线性回归,导致0.99系数和误差0.5%。
O2组件在变化中起着基础性作用2所以3,因此,知道在转换器的促进氧化控制。这个变量的验证的模拟器和由此产生的准确值的氧气流中为操作员提供有价值的数据。检查所提供的值并知道方程提出并进入模拟器是正确的,进行线性回归,导致0.99回归系数和0.4%的误差,从而验证变量。从上述值,见表4,可以得出这样的结论:仿真模型获得的结果显示0.99以来是有效的意味着回归系数。通过这种方式,该组件是验证,气体成分也彻底的验证。
图5表明,在恒定温度下,氧化越大,气流越低,相反,气体流量越大,氧化越少。这可能发生,因为有一个低数量的气体流量,因此,它有一个更大的表面接触五氧化二钒,从而产生更大的氧化。图5显示了氧化行为不同气体流量保持不变时,反应堆输入温度控制,表明温度越低,氧化就越大。因此,必须产生足够使用的温度3这样可以可行的流程,催化剂活化温度,反应速度足够高。
5。结论和未来的工作
在铜行业,最常用的输入之一恢复铜是硫酸,可生产使用固体硫磺作为输入。但频繁,硫酸生产过程通常是昂贵的,由于能源消耗和固体硫和其他资源,比如水的消耗。
在这项工作中,技术的催化转化过程模拟和评估提出了硫酸的生产和发展,和它的实用性进行验证。此外,由于这一过程中,电能的生产也被监控和改善能源发电提供了建议,基于模拟和可视化的结果。
为了实现上述描述,操作数据来自工厂的操作公司已经使用。真实数据生成在大约3个月用于生成适当的数据作为仿真的输入,可视化和验证过程。
仿真过程生成一个具体的结论是,结果非常接近真正的过程中,由于误差小于1%,与一个转换器的输入温度低价值(300°C之间的范围和460°C)和140.00和180.00 Nm之间的气体流量3/小时。其他突出的结论如下:(我)仿真过程使得过程特征的识别可能影响更大的生产和更好地利用输入。例如,测试了在模拟器上显示最优输入温度很低,和推荐的气体流量是150.50海里3/ h,使用这些新的操作参数配置,硫酸生产应该增加4吨/天(2)的定量分析植物的平均日产量使用仿真软件进行了。模拟的结果与运行结果在6个月内。在这个分析中,定义新的操作场景,和温度,压力,流量参数最相关的改善结果。该公司提出了监测这些参数根据仿真结果,获得每日生产硫酸增长了0.2%。根据这个场景在CLP 161695000 NPV和IRR可以获得53%。这些结果代表增加6%的月度生产硫酸,对前面的实际操作的结果(3)模拟使用阿斯彭“®考虑接触阶段的过程。这是4装运箱进行反应堆和3壳管热交换器系统评估和验证。验证后模拟器和使用核电站的设计数据,观察,设计变量和值之间的误差从模拟器获得低于1%。在仿真过程中,证明了最大的转换发生在温度和流在低和150500年,分别。
数据可用性
所有原始数据仍是公司的财产,使本研究。输入数据(匿名数据)用于支持本研究的结果可根据客户要求提供相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
所有的作者合作设计、实验、结果分析和论文写作。
确认
作者要感谢卡Aguilar贡献材料从她的本科论文和天主教大学del Norte教育许可证的使用阿斯彭“®软件。
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