中南大学过程控制系统课程设计报告设计题目 3#自蒸发器压力控制系统 指导老师 设计者 专业班级 设计日期 2011/1/12 目 录第一章 概 述 1 1.1 设计目的 1 1.2 具体任务 1 1.3 氧化铝生产的意义 1第二章 氧化铝高压溶出工序介绍 2 2.1 铝工业的国内外现状 .2 2.2 氧化铝生产过程 3 2.3 高压溶出工序 9第三章 氧化铝高压溶出工序生产设备及控制要求 12 3.1 双程预热器 .12 3.2 溶出器 13 3.3 自蒸发器 14 3.4 蒸汽缓冲器 15第四章 氧化铝高压溶出3#自蒸发器压力控制系统设计 17 4.1 总体方案论证 17 4.2 硬件设计 19 4.3 控制算法 23 4.4 软件设计 23第五章 3#自蒸发器压力控制系统调试 25比例、积分和微分的分析 255.2 PID参数整定方法 26第六章 总 结29 6.1 方案评价及改进方向 29 6.2 收获及体会 29参考文献31第一章 概述 1.1 设计目的综合控制理论，过程控制，微机控制，可编程控制器，软件程序设计等课程的相关理论知识，设计一个完整的3#自蒸发器压力控制系统，全面学习和掌握典型控制系统的设计方法，控制方法和调试技巧。1.2 具体任务设计一压力控制系统对3#自蒸发器的压力进行控制，要求是3#自蒸发器的压强值为，误差以内。1.3 氧化铝生产的意义氧化铝主要用于电解生产铝，它占氧化铝总产量的90%以上。此外还供硅酸盐、耐火材料、机械、无线电、冶金、化工、制药等工业部门使用。铝和铝合金是国民经济、国防军工和民用制品的基础原材料。铝工业是国家的基础工业之一。高性能铝合金是制造飞机、潜艇、火箭、导弹、鱼雷、坦克的重要部件的原材料，被称为国家的战略物资。铝工业从上游到下游可分成三段：氧化铝是电解铝企业的原料，电解铝(铝锭)是铝加工企业的原料。目前每生产1吨铝需要2吨氧化铝。第二章 氧化铝高压溶出工序介绍2.1 铝工业的国内外现状 铝工业的国内外现状我国具有丰富的铝土矿资源。迄今，我国已探明铝土矿矿区310处，分布于全国19个省、自治区、直辖市，已探明保守储量23亿吨，位居世界第4，具备发展氧化铝工业的资源条件。 国内的氧化铝生产从50年代起步，8090年代得到了快速发展，年生产能力已达到近800万吨2008年氧化铝年产量约高达万吨，较去年同期提高26.44%，居世界前列 。由于矿石结构和组成的原因，国外富产氧化铝的国家主要采用拜耳法生产氧化铝。我国的铝土矿资源大部分为含硅高较难溶出的矿石，不适合直接采用世界上大多数国家采用的拜耳法生产工艺流程，绝大部分都是采用流程长、工艺复杂的混联法和烧结法生产的。 国内氧化铝生产状况改革开放以来，为适应国民经济发展的需要，国家在铝土矿资源丰富的四省区内大力发展氧化铝工业，规划并建成了山西铝厂，平果铝厂和中州铝厂等氧化铝项目采用新工艺、新技术和先进设备，加大对已有的山东铝厂、贵州铝厂和郑州铝厂的技术改造，提高产能，形成了六个氧化铝厂为基地的生产布局。为进一步发挥桂西和晋北铝土矿资源优势，国家规划建设华银氧化铝和晋北氧化铝基地，进一步扩大氧化铝产能，使氧化铝基地由六个增加到八个。民营企业发展迅速。大量非中铝系的民营及合资企业涉足氧化铝项目，使得国内氧化铝产能激增。三门峡东方希望公司、三门峡开曼公司、洛阳香江万基公司（新安铝电）以及山东、内蒙等地的民营企业迅速发展。铝业是朝阳产业，市场需求量大。据有关数据，2008年我国共生产氧化铝万吨。2.2 氧化铝生产过程迄今为止，已经提出了很多从铝矿石或其他含铝原料中提取氧化铝的方法。由于技术和经济的原因，有些方法已被淘汰，有些还处于试验研究阶段。已经提出的氧化铝生产方法可以归纳为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前用于大规模工业生产的只有碱法。铝土矿的特点是化学组成和矿物组成多种多样，要采用不同的方法来处理。铝土矿处理方法和合理的工艺设备的选择取决于许多因素，其中主要的是：a.硅指数，b.原料中硫化物；碳酸盐和有机物的含量；c.铝化合物和硅化合物的矿物组成；d.氧化铁含量。我国铝土矿资源丰富，储量大；高铝、高硅、低铁；铝硅比较低，中低品位铝土矿居多；多数铝土矿是一水硬铝石型铝土矿。碱法生产氧化铝使用碱（NaOH、Na2CO3）处理铝土矿，使矿石中的氧化铝转变成铝酸钠溶液，铁、钛等杂质和绝大部分硅则成为不溶解的化合物。将不溶解的残渣（赤泥）与铝酸钠溶液分离，残渣经过洗涤后丢弃或综合利用以回收其中的有用组分；铝酸钠溶液经净化后分解析出氢氧化铝，氢氧化铝经煅烧后成为氧化铝；分解后的母液经过蒸发浓缩后循环利用。 碱法生产氧化铝的实质是将铝转变为铝酸钠进入苛性碱溶液。铝原料中可溶SiO2含量越高，转变为不溶性沉淀的水合铝酸钠就越多。而从原料提取到铝酸钠溶液的氧化铝则越少。铝硅比是评价铝土矿质量和选择其具体处理方法的主要指数。生产氧化铝的碱式法有四种：烧结法、 拜耳法、 混联法、 选矿拜耳法。 拜耳法高温和高浓度的铝酸钠溶液处于介稳状态，而在温度和浓度降低的时候则自发分解析出氢氧化铝沉淀，拜耳法便是建立在这样的基础上的。铝土矿所含的一水和三水氧化铝在一定条件下（提高温度和浓度）以铝酸钠的形式进入溶液。在95100摄氏度时铝酸钠稳定，当降低温度和浓度时它转变为不稳定状态，析出氢氧化铝。图2.1 拜耳法生产流程按拜耳法制取氢氧化铝的过程：1）铝土矿的溶出铝土矿在溶出之前，先在矿山粗碎，然后再冶金混匀、中碎、细碎和湿磨。坚硬的铝土矿在工厂中用23级破碎，松软的用12级破碎。铝土矿在球磨机中湿磨，磨机与分级机或水力旋流器组成闭路循环。细磨过程在铝酸钠中进行，液固比为。大部分循环溶液在其加热溶出之前加入到分级机和搅拌槽中，以制备原矿浆。铝土矿的溶出应该在消耗最小而氧化铝进入溶液的溶出率最高的条件下进行。对于铝土矿的溶出速度和程度起作用的主要因素如下：温度、循环液的浓度和苛性比、铝土矿的细磨程度、原矿浆的搅拌速度和石灰添加量。温度是影响溶出过程的主要因素。为了达到目前实践中所允许的速度：a.三水铝石型铝土矿的溶出过程是在95100摄氏度进行的b.一水软铝石型铝土矿是在150200摄氏度进行的c.一水硬铝石型铝土矿是在230245摄氏度进行的。石灰石对一水软硬铝石型铝土矿的溶解速度和程度有十分良好的作用，向过程中添加石灰石对一水铝石型铝土矿的溶出过程有很大的意义:铝土矿中未溶出的氧化铝一般为0.55%。2）赤泥的分离和洗涤铝土矿溶出后的浆液用赤泥洗涤过程得到的一次洗液稀释至 三氧化二铝的浓度为120150克/升。为了实现铝酸钠的脱硅并保证溶液黏度降低到赤泥分离过程能以工业要求的速度进行，这种稀释过程是必要的。赤泥的分离和洗涤方法和设备流程取决于铝土矿的处理方法。3）铝酸钠溶液的分解过滤之后的铝酸钠溶液，在分解前，在换热器中自95100摄氏度冷却到5055摄氏度，分解过程持续很长时间（5060小时）。4）母液的蒸发为了使拜耳循环闭路，根据铝土矿溶出条件将母液蒸发到氧化钠浓度为200300克/升的循环母液。蒸发水量取决于溶出温度和被洗涤的赤泥的物理过程。蒸发过的 溶液冷却时，结晶出纯碱，随同析出的还有各种有机物和其他杂质。5）循环纯碱的苛化补充的纯碱以及溶液蒸发时析出的棕色纯碱都用石灰乳苛化，以制取苛性碱来补偿拜耳法中的碱损失。为了避免在沉淀中生成难溶的复盐，这个过程是在氧化钠的浓度约为100克/升的溶液中进行的。6）氢氧化铝的煅烧最后这道工序的目的是将氢氧化铝在12001250摄氏度煅烧使之成为成品氧化铝。.2 烧结法所有类型的高硅原料都可以用这种方法处理。烧结法的实质是含铝原料与纯碱、石灰石一同烧结时原料中的硅转变为在碱溶液中难溶的化合物原硅酸钙，而铝和铁转变为铝酸钠和铁酸钠。含铝原料与纯碱、石灰石烧结时，各原始组分的固体粉末之间的化学反应，是在有少量熔体存在下进行的。碱石灰烧结法生产氧化铝的基本原理是：将铝土矿、纯碱、石灰等原料按一定比例配制成生料浆，在高温下烧结，SiO2与CaO化合生成原硅酸钙、氧化铁与纯碱化合成铁酸钠、氧化铝与纯碱化合生成铝酸钠。熟料溶出时，铝酸钠（）进入溶液，铁酸钠（）水解生成氢氧化钠和氧化铁的水合物，原硅酸钙（）与氧化铁的水合物进入赤泥。铝酸钠溶液精制后大部分进行碳酸化分解、少部分进行晶种分解析出氢氧化铝，分离后的碳分母液和种分母液经蒸发后分别去配料和脱硅。氢氧化铝焙烧后成为氧化铝。图2.2 烧结法生产流程按制取氢氧化铝的过程： 生料备制。 生料烧结 铝酸盐熟料的破碎和溶出。 泥渣的分离和洗涤及铝酸钠溶液的脱硅 溶液炭化分解，氢氧化铝的分离和洗涤 纯碱母液的蒸发 石灰石的煅烧和氢氧化铝的煅烧在处理铝土矿的烧结法中，循环的物料是纯碱而不是拜耳法中的苛性钠，溶液是用炭化方法来分解的。纯碱以蒸发后浓溶液形态返回到生料配制过程。 混联法1）并联法在并联法中，大部分铝土矿按拜耳法处理，由烧结法处理的只是少部分。这两部分平行的进行直到成为铝酸钠溶液为止，然后将烧结法的脱硅的铝酸钠溶液与拜耳法部分的溶液 混合，再将混合的溶液加晶种分解。图2.3 并连法生产流程优越性： 可以在一个工厂里高硅和低硅两种铝土矿。 拜耳法循环中的全部苛性碱损失都用铝土矿烧结时的苛化来补偿，降低了成本。 烧结法部分除了实现 纯碱的热化苛化，还增产一定量的氧化铝。 拜耳法赤泥经洗涤和过滤后，用烧结法回收其中的氧化铝和氧化钠 烧结