Оптимизация процесса азотно-сульфатно-сернокислотного разложения апатита в производстве минеральных удобрений

Основным направлением, определяющим развитие социалистического производства в 11-й (1981;1985 гг.) и последующих пятилетках, в соответствии с решениями ХХУТ съезда КПСС [I], является повышение его эффективности за счет увеличения производительности путем совершенствования оборудования, технологии, организации производства, автоматизации. Создание и внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), позволяющих оптимизировать технологические процессы, является важной задачей исследователей и разработчиков на современном этапе.

Настоящая работа посвящена повышению эффективности производства нитратно-фосфатного раствора (НФР) и улучшению качества выпускаемого продукта путем создания системы оптимального управления и в конечном итоге направлена на повышение эффективности производства сложного минерального удобрения — нитроаммофоса, получаемого из НФР.

Согласно прогнозам экономистов [2] к 2000 году мировая потребность в соединениях фосфора возрастет по сравнению с 1970 г. в 4 раза. Продовольственной программой СССР на период до 1990 г. предусмотрено увеличить поставки сельскому хозяйству минеральных удобрений по сравнению с 1980 г. в 1,7 раза. В 1985 г. запланировано получить 26,5 млн. т, а в 1990 г. — 30−32 млн. т полезных веществ в минеральных удобрениях [3]. Доля концентрированных и сложных удобрений в XI пятилетке должна вырасти с 83% до 91 $. Важнейшими путями интенсификации производства минеральных удобрений является увеличение коэффициентов использования сырья, улучшение качества выпускаемой продукции.

В производстве нитроаммофоса получение НФР является важным и ответственным этапом, характеризующим степень использования исход.

— чного сырья и влияющим на качество минерального удобрения. Азотно-сульфатно-сернокислотный (АСС) метод разложения природных фосфатов, в результате которого получается НФР, является новым, перспективным направлением, основанном на азотнокислотной технологии, и существенно отличается от традиционно-распространенных методов вскрытия фосфатов серной кислотой, или ее смесью с азотной.

Обеспечение высокой эффективности производства НФР и его отдельных стадий невозможно без создания АСУТП, функционирование которой позволит не только учесть влияние возмущающих факторов, но и осуществить оптимальное управление отдельными процессами и производством НФР в целом.

В данной работе решается задача оптимизации первой стадии производства НФР — процесса АСС разложения апатита путем создания системы оптимального управления.

В работе проведен анализ особенностей технологии и химизма процесса АСС разложения апатита, выявлены основные возмущающие воздействия на процесс и дана оценка эффективности существующей системы управления.

Разработан критерий оптимальности процесса, позволяющий учитывать основные требования производства НФР и на основании имеющейся информации количественно оценивать эффективность процесса.

Проведены исследования процесса по математической модели на основании которых была произведена оценка эффективности технологических режимов промышленного объекта, выбраны основные каналы управления объекта.

Разработана математическая модель, пригодная для использования в алгоритме статической оптимизации цроцесса.

Осуществлен выбор структуры системы оптимального управления на основании анализа возмущающих воздействий и выбранного критерия оптимальности.

На базе статической математической модели процесса разработаны алгоритм компенсации контролируемых возмущающих воздействий, позволяющий повысить качество управления в динамике.

Проведено исследование динамических характеристик основных каналов управления с целью их учета при построении алгоритма оптимального управления процессом.

Результаты научно-исследовательской части работы нашли практическое применение в производстве НФР на Прикаспийском горнометаллургическом комбинате, где были опробованы и внедрены: рекомендации по оптимизации процесса на основании булевой математической моделиалгоритм распознавания образов на основании метода собственных векторовалгоритм компенсации основных контролируемых возмущающих воздействий на базе статической математической модели процессаалгоритм реализации управляющих воздействий, позволяющий повысить быстродействие системы оптимального управления.

По работе имеется 3 публикацииполучены положительные решения на 2 заявки на изобретения. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры автоматизированных систем управления ЛТИ им. Ленсовета и на ХУ научно-технической конференции молодых специалистов, посвященной 65-летию НИУИФа (г.Москва).

Работа состоит из 5 глав и приложений.

В первой главе рассматриваются особенности химизма, технологии, аппаратурного оформления процесса АСС разложения апатита и производства НФР, отмечаются недостатки существующей системы управления и формулируются задачи исследования, которые необходимо было решить в работе.

Во второй главе приводятся результаты исследования процесса на базе методов распознавания образов, дается их сравнительная характеристика. На базе булевой математической модели осуществляется предварительная оптимизация процесса, намечаются пути дальнейшего повышения эффективности процесса.

В третьей главе разрабатывается комбинированная система оптимального управления в выделенном классе состояния. Разрабатывается и исследуется математическая модель для компенсации основных возмущающих воздействий, осуществляется выбор критерия и постановка задачи оптимизации.

В четвертой главе приводятся результаты исследования динамических характеристик основных управляющих каналов и алгоритм реализации управляющих воздействий, позволяющий повысить быстродействие системы оптимального управления.

Пятая глава отражает результаты экспериментальных испытаний и опытной эксплуатации разработанных методик и алгоритмов оптимизации процесса АСС разложения апатита в производстве НФР на Прикаспийском горно-металлургическом комбинате. Внедрение результатов работы обеспечивает экономический эффект в размере 102,5 тыс. руб/год.

Работа выполнялась на кафедре АСУ ЛТИ им. Ленсовета.

Основными положениями, защищаемыми в настоящей работе являются:

I* Результаты исследования и выводы о причинах низкой эффективности производства НФР и путях ее повышения сделанные на основании применения метода логического распознавания образов на базе математического аппарата булевой алгебры.

2. Логическая булевая математическая модель процесса АСС разложения апатита, позволившая осуществить предварительную оптимизацию процесса путем уменьшения поддиапазонов изменения техноло.

— логических переменных.

3, Алгоритм оптимального управления процессом АСС разложения апатита в производстве НФР, отражающий 2-х уровневую структуру системы оптимального управления с црименением метода распознавания образов на первом уровне и комбинированной системы оптимального управления в выделенном классе состояний на втором.

4, Результаты исследования и классификации состояния процесса, полученные при использовании метода собственных векторов для распознавания технологической ситуации объекта на первом уровне системы оптимального управления.

5″ Статическая математическая модель процесса АСС разложения апатита на базе общего и покомпонентного материальных балансов, учитывающая физико-химические закономерности процесса, позволяющая определять удельные расходные нормы реагентов на единицу сырья и используемая для компенсации основных контролируемых возмущающих воздействий в разомкнутом контуре комбинированной системы управления.

6, Критерий оптимальности для производства НФР, учитывающий основные требования, предъявляемые к производству НФР, позволяющий оперативно, на базе имеющейся информации оценивать эффективность цроцесса.

7, Результаты экспериментального и теоретического исследования динамических характеристик объекта.

8, Алгоритм реализации управляющих воздействий, позволяющий повысить быстродействие системы оптимального управления.

— -и.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

— объемный расход ¿—го материального потока, (м3Дас).

Чг — вода на распульповку апатитового концентрата, ВФК — экстракционная фосфорная кислота, п, А к — пульпа апатитового концентрата, I С (К сульфат аммония, о&яя-я — оборотный раствор, V.

МЙТ. р-р — маточный раствор, : — весовое количествого материального потока о. илиой фазы реакционной среды (т/час) >

АКт$. — твердый апатитовый концентрат,.

М — удельная нагрузка на карусельный вакуум-ц-кв<�р фильтр по твердому апатитовому концентрату,.

— жидкая фаза пульпы апатитового концентрата,.

— твердая фаза пульпы апатитового концентрата, Ф- - жидкая фаза реакционной пульпы,.

Гр’п ~ твеРДая фаза реакционной пульпы, У НФР — нитратно-фосфатный раствор, «сеРная кислота,.

Н/оо% «азотная кислота, азотная кислота в пересчете на 100 $ (нл юсМнм) серную кислоту, сл, 100%.

— 12- 100 $ сульфат аммония,.

— 100 $ сульфат аммония в пересчете на 100 $.

СА 100%.

ИЛ юо/о серную кислоту,.

-/(^ - весовое количество Кго компонента в / -ом материальном потоке (т/час), г к = <

— водорастворимая форма фосфора в пересчете на пятиокись фосфора, Нн — азот, содержащийся в нитрат-ионах ^ -го материального потока (азот нитратный),.

100%.

К' < И.

Н<�РР> мл* р-р

СI — концентрация iго реагента (г/л), i = НЩ, Нг$ 0ч, СЙ,.

Ci.

— А/и, Pz0?, $ 0Ч — сульфат-ионы,.

Са 0 — кальций в пересчете на окись кальция р. п. — реакционная пульпа,.

1У<�р-т — четвертый фильтрат,.

— УЗ.

Л/С — апатитовый концентрат, &-и. } - отношение концентраций Ин и Р^О? в уом.

4 • материальном потоке, = р. п., Н<�РР,.

— плотность ^ -го материального потока или ^—ой фазы реакционной среды (г/см3), — отношение весовых количеств жидкой и твердой фаз реакционной пульпы, Хрьо? — общие потери фосфора (в пересчете на пятиобщ. окись фосфора) с фосфогипсом (%), ХргО? — водонерастворимые бодонер.

Хргог — водорастворимые -11оодорльтб.

К лих. коэффициенты технологического выхода фосфора.

Г4О5 в водорастворимую форму (%), Кмбл. — коэффициент извлечения фосфора из апатита в раствор (%), Н&trade-. — коэффициент эффективности отмывки фосфогипса.

Ф,.

Рбак. — вакуум в экстракторе (ати), экстр.

Ьпром' - температура промывочной воды на карусельном.

П10 вакуум-фильтре (°С), «Ц — отношение объемных расходов серной и азотной кислот,.

— сульфата аммония и азотной кислоты,.

— 14- отношение объемных расходов пульпы апатитового концентрата и азотной кислоты, К-эфк — коэффициент расхода экстракционной фосфорной кислоты на распульповку апатитового концентрата, л — избыток серной кислоты в процесс по сравнению со стехиометрическим (%), Г — гипсовое число.

I. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА А30ТН0-СУШАТН0-СЕРН0-КИСЛОТНОГО РАЗЛ (ЖШИЯ АПАТИТА В ПРОИЗВОДСТВЕ НИТРАТНО-ФОСФАТНОГО РАСТВОРА. ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В главе рассматриваются особенности химизма, технологии и аппаратурного оформления процесса, а также недостатки существующей системы управления. Анализируются возмущающие воздействия, влияющие на процесс и снижающие эффективность производства в целом.

Формулируются основные задачи исследования, решение которых направлено на повышение эффективности производства НФР.

ОБЩИЕ ВЫВОЛЦ

1. Проведено исследование технологии и химизма процесса азотно-сульфатно-сернокислотного разложения апатита в производстве нитратно-фосфатного раствора и выявлены следующие характерные особенности: сильное взаимное влияние стадий разложения и фильтрациидискретный контроль основных режимных параметров путем химического анализасложность стадии разложения, обусловленная одновременным протеканием процесса разложения апатита и процесса осаждения и вристаллизации гипсаотсутствие математической модели, пригодной для управления.

2. На процесс разложения апатита действует большое количество контролируемых и неконтролируемых возмущений, снижающих эффективность производства, влияние которых существующая система управления не в состоянии качественно компенсировать, что обусловливает необходимость разработки автоматизированной системы оптимального управления, позволяющей повысить эффективность производства.

3. На основании исследования процесса по булевой математической модели показано, что кислотное разложение апатита протекает достаточно эффективно для данной технологической схемы и значительные общие потери фосфора, обусловлены увеличением его водорастворимых потерь за счет низкой эффективности процессов осаждения и кристаллообразования гипса. Выделены в качестве управляющих переменных для оптимизации расходы сульфата аммония, серной кислоты, оборотного растворапоказано, что интенсификация процесса кристаллообразования возможна за счет уменьшения расходных нора сульфат-содержаших реагентов, и в частности, сульфата аммония. Проведена предварительная оптимизация процесса на осно.

— реванш рекомендаций, полученных по булевой математической модели, позволившая уменьшить общие потери фосфора в производстве и улучшить качество товарного нитратно-фосфатного раствора.

4. Показана эффективность метода собственных векторов для распознавания и классификации технологических ситуаций стадии разложения, позволившего выделить четыре класса состояний объекта, характеризующиеся различным значением величины общих потерь фосфора с фосфогипсом. Внедрена программа распознавания образов на базе метода.

5. Предложена двухуровневая система оптимального управления процессом, которая осуществляет классификацию состояния процесса на первом уровне, перевод в лучший класс и оптимизацию на втором.

6. Разработана математическая модель процесса разложения апатита с учетом его физико-химических закономерностей, используемая для компенсации основных контролируемых возмущений. На базе математической модели разработан алгоритм компенсации контролируемых возмущений и внедрена программа его реализации, что позволяет за счет расчета обоснованных расходных норм реагентов уменьшить потери фосфора и улучшить качество нитратно-фосфатного раствора.

7. Предложен критерий оптимизации процесса азотно-сульфатно-сернокислотного разложения апатита с учетом основных требований к производству нитратно-фосфатного раствора и нитроаммофоса, позволяющий на основании имеющейся информации оценивать эффективность протекания процесса по величине общих потерь фосфора с фосфогипсом. Осуществлена постановка задачи оптимизации, обеспечивающая минимальную величину указанных потерь при соблюдении основных качественных показателей нитратно-фосфатного раствора.

8. Проведено экспериментальное исследование динамических характеристик управляющих каналов объекта методом активного эксперимента, определена структура передаточных функций и их параметры. Сравнение расчетных и экспериментальных кривых разгона показало, что их расхождение не превышает 5 $ относительных.

9. Разработан алгоритм системы цифрового управления, учитывающий динамические характеристики каналов управления, позволяющий повысить эффективность управления за счет увеличения быстродействия системы оптимального управления при переводе объекта из неоптимального режима в оптимальный в среднем на 30−40 $.

10. Новизна технических решений подтверждена положительным решением на две заявки на изобретение на способ управления процессом азотно-сульфатно-сернокислотного разложения апатита в производстве нитратно-фосфатного раствора.

-•/60-ЗАК1ШЕНИЕ.

Основные положения, выводы и практические рекомендации, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при исследовании процессов кислотного разложения фосфатного сырья и разработке их систем оптимального управления.

Эффективность применения методов распознавания образов, впервые показанная для таких сложных процессов, обусловливает необходимость дальнейших исследований в этом направлении с целью достижения наиболее оперативной и надежной классификации состояний процесса. Научный интерес представляет проблема математического описания отдельных классов технологических ситуаций, решение задачи оптимального перевода объекта из одного класса в другой, разработка критерия оптимальности перехода между классами.

Совершенствование разработанной в диссертации математической модели азотно-сульфатно-сернокислотного разложения апатита путем учета кинетических закономерностей процесса, позволит осуществить управление в замкнутом контуре по математической модели, тем самым значительно повысить эффективность управления процессом в динамике.

Исследования, направленные на устранение влияния нестационарности потока пульпы апатитового концентрата, нестационарности стадии фильтрации на основные показатели стадии разложения и производства в целом, дополнительно обеспечат повышение эффективности производства.

Теоретическая часть работы, элементы ее научной новизны имеют реальное практическое приложениеих внедрение в условиях промышленного производства способствует решению важной народнохозяйственной проблемы улучшения качества и увеличения объема выпускаемых в стране сложных минеральных удобрений, помогает успешному выполнению Продовольственной программы, намеченной КПСС.