Development of a digital twin of the desilication section in alumina production

Согласно ГОСТ

В литературе найдены примеры использования цифрового двойника в металлургии. Например, в статье

Обескремнивание – ключевой этап в производстве глинозёма, это процесс, при котором из алюминатного раствора удаляется избыток кремния, что важно для получения глинозёма высокого качества.

Качество алюминатного раствора и, следовательно, получаемого из него глинозёма, во многом зависит от кремниевого модуля μSi. Кремниевый модуль (КМ) – это отношение содержания кремния к содержанию алюминия в растворе. Правильный расчёт и контроль этого параметра критически важны для качественного и эффективного процесса обескремнивания

В настоящей статье представлена разработка программы перерасчёта КМ на глинозёмном производстве. Были рассчитаны таблицы материального баланса для отделений обескремнивания и создан программный код в программном комплексе InTouch (ПК InTouch). При изменении состава сырья, через таблицы материального баланса, программа позволяет рассчитывать качество алюминатного раствора, а именно его КМ. Это позволяет оперативно корректировать процесс обескремнивания и обеспечивать высокое качество производимого глинозёма.

Процесс получения глинозёма из нефелиновых руд включает в себя серию последовательных операций. Нефелиновая руда подвергается дроблению и измельчению, подготавливая сырье к дальнейшей обработке. После подготовки сырьевая масса смешивается с карбонатом кальция для последующего этапа спекания. Спекание проводится в печах при высоких температурах около 1300-1400°C. В ходе этого процесса происходит разложение нефелинов, а также реакция между силикатами и кальцием. В результате образуется спек, содержащий алюминат кальция, который представляет собой промежуточное соединение для извлечения глинозёма. После охлаждения спека его подвергают выщелачиванию содощелочным раствором с водой. Выщелачивание дает возможность не только извлечь алюминат кальция в растворимую форму, но и отделить нерастворимые фракции, среди которых особое внимание уделяется силикату кальция. После выщелачивания полученный алюминатный раствор поступает в отделение обескремнивания. Именно процесс обескремнивания позволяет максимально снизить содержание кремния в конечном продукте, что значительно повышает качество глинозёма. Растворимый алюминат кальция в растворе подвергают дальнейшей обработке для осаждения гидроксида алюминия. Полученный осадок, после отделения и промывки, кальцинируется, в результате чего получается глинозём

На рисунке 1 представлена аппаратурно-технологическая схема отделения первой стадии обескремнивания.

Рисунок 1 - Аппаратурно-технологическая схема отделения первой стадии обескремнивания

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.37.1

Алюминатный раствор после выщелачивания спека поступает в приемную мешалку. Нагрев раствора производится частью пара самоиспарения второй ступени. Далее раствор поршневым насосом подается в автоклавную батарею, состоящую из ряда последовательно соединенных автоклавов. В первых двух (греющих) раствор нагре­вается до реакционной температуры, в других автоклавах раствор выдерживается, непрерывно проходя по ним со скоростью, опре­деляемой временем его изотермической обработки, необходимым для завершения процесса кристаллизации при выбранных пара­метрах. Перегретый (по отно­шению к атмосферному давлению) алюминатный раствор охла­ждается до атмосферного давления в трех самоиспарителях алю­минатного раствора. В этих самоиспарителях путем внутреннего энергообмена в тепловом процессе взаимодействующих потоков растворителя и раствора получают водяной пар. Пар первой и частично второй ступени направляется на подогрев исходного раствора, оставшаяся часть пара второй ступени и пар третьей ступени используются для нагрева воды, которая далее отводится для промывки и выщелачивания спека

[9]

,

[10]

.

Цифровой двойник участка обескремнивания при производстве глинозёма представляет собой интегрированную систему, которая позволяет моделировать, контролировать и оптимизировать технологические процессы в режиме реального времени. Основная цель создания цифрового двойника — повышение эффективности и экономичности производства, а также улучшение качества глинозёма. На участке происходят химические реакции, процессы тепломассообмена, поэтому необходимо составить материальный баланс первой стадии обескремнивания и разработать математическую модель тепломассообмена для решения задач управления.

Для расчёта материального баланса процесса первой стадии обескремнивания требуется состав алюминатного раствора с отделения выщелачивания, который представлен в таблице 1. Расчёт ведётся на 1000 кг. глинозёма

 В промышленных условиях на первой стадии обескремнивания, извлекают в гидроалюмосиликат натрия (ГАСН) не менее 90% SiO2. Для расчёта примем извлечение SiO2 в ГАСН 90%. Кремнезем из раствора, на первой стадии выделяется в составе ГАСН по реакции (1).

(1)

ГАСН, полученный в промышленных условиях, обычно отвечает формуле Na2О∙Al2O3∙1,7SiO2∙xH2O. Количество воды в составе ГАСН зависит от температуры алюминатного раствора при обескремнивании, с учетом состава ГАСН, получаемого в промышленных условиях (2):

(2)

Влажность ГАСН составляет 35%.

Масса образующегося осадка в составе ГАСН рассчитана в таблице 2.

Масса не связанной воды составит:

С учетом влажности масса осадка ГАСН составит:

Для ускорения выделения кремнезема, в алюминатный раствор добавляют затравку. Затравка представляет собой шлам, полученный при обескремнивании предыдущих порций алюминатного раствора. Дозировка белого шлама, в качестве затравки, составляет 100 г/л

На метр кубический раствора, дозировка белого шлама составит:

Масса компонентов в 100 кг затравки рассчитана в таблице 3.

Кремниевый модуль полученного алюминатного раствора составит:

В практике КМ алюминатного раствора после первой стадии обескремнивания составляет (250÷450) ед. Полученный КМ алюминатного раствора отвечает данным практики. Полученные данные сведем в таблицу 6.

Таким образом, приведенный баланс позволяет рассчитывать КМ при изменении входного сырья.

Показатели техпроцесса зависят также от тепломассообменных процессов в батарее автоклавов. Рассмотрим математические модели изменения масс и температур на примере одного автоклава.

В автоклав через входную трубу поступает алюминатный раствор и шламовая затравка, а через паровой коллектор непрерывно поступает греющий пар. Составим обыкновенные дифференциальные уравнения, описывающие баланс в автоклаве. Изменение массы пульпы внутри автоклава выражено уравнением 3:

(3)

Изменение температуры пульпы внутри автоклава описывается следующим образом:

где t   – время, сек;

mпар   – количество пара, кг/сек;

mр-р вход   – количество раствора поступающего в автоклав, кг/сек;

mпульп  – количество пульпы выходящей из автоклава, кг;

Tпар  – температура греющего пара, °С;

Tр-р   – температура алюминатного раствора, °С;

Tпульп   – температура пульпы, Дж/кг°С;

спар  – теплоемкость греющего пара, Дж/кг°С;

ср-р   – теплоемкость алюминатного раствора, Дж/кг°С;

спульп   – теплоемкость пульпы, Дж/кг°С.

Используя метод конечных разностей для уравнений  (3) и  (4), мы получаем разностные схемы для расчёта баланса в первом автоклаве:

где Δt  ̶  шаг интегрирования, сек;

– количество пульпы на текущем шаге, кг;

– количество пульпы на прошлом шаге, кг;

– массовый расход раствора на текущем шаге, кг/сек;

– массовый расход пара на текущем шаге, кг/сек;

– массовый расход раствора из автоклава на текущем шаге, кг/сек;

– температура пульпы в автоклаве на текущем шаге, °С;

– температура пульпы в автоклаве на предыдущем шаге, °С;

– теплоемкость греющего пара, Дж/кг°С;

ср-р   – теплоемкость алюминатного раствора, Дж/кг°С;

спульп   – теплоемкость пульпы, Дж/кг°С.

Tпар  – температура греющего пара, °С;

Tр-р   – температура алюминатного раствора, °С;

Tпульп   – температура пульпы, Дж/кг°С.

Проверку модели будем производить в ПП “Excel”, на основе данных, представленных в таблице 7.

На рисунке 2 представлен временной тренд работы автоклава, сценарий следующий: с отметки 2 минуты включается подача алюминатного раствора и за 8 минут рабочий объем автоклава, равный 72 тоннам, заполняется раствором, через 8 минут открывается подача острого пара и пульпа начинает плавно нагреваться с 95 °С до 150 °С в течение 2 часов, автоклав входит в рабочий режим. Через 12 минут имитируется авария насоса, раствор поступает в автоклав в меньшем количестве, вследствие чего раствор перегрелся спустя 52 минуты, но спустя 8 минут насос починили и раствор начал поступать в штатном режиме, следовательно, температура раствора начала приходить в норму, однако через 16 минут имитируется авария на линии подачи острого пара и раствор переохлаждается за 2 часа.

Рисунок 2 - Временной тренд работы автоклава

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.37.9

Таким образом, качественно модель работает адекватно, логично, что при уменьшении подачи раствора, оставшийся раствор в автоклаве перегреется при условии подачи греющего пара, а также при остановке подачи пара раствор постепенно охладится до температуры раствора на входе, на рабочий режим автоклав выходит за 2 часа, что соответствует оптимальному времени работы автоклава

[15]

.

Код программы работает по следующему алгоритму, представленному на рисунке 3.

Рисунок 3 - Алгоритм работы программы

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.37.10

На основе алгоритма составим следующую схему работы первой стадии участка обескремнивания (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема работы первой стадии участка обескремнивания

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.37.11

Интерфейс ПО отделения обескремнивания представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Интерфейс ПО отделения обескремнивания

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.37.12

Также, был составлен следующий алгоритм расчёта материального баланса и КМ, представленный на рисунке 6.

Рисунок 6 - Алгоритм расчёта материального баланса и КМ

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.37.13

Последовательность действий алгоритма: оператор вводит результаты химического анализа после отделения выщелачивания, программа получает текущее значение объёмного расхода пара, затравки и раствора, переводит их в массовые расходы, рассчитывает количество ГАСНа, рассчитывает баланс пульпы входящей и выходящей из автоклава, составляет балансовое уравнение и определяет КМ. Для вывода результатов расчёта материального баланса было разработано графическое окно «Материальный баланс», представленное на рисунке 7.

Нажав кнопку «материальный баланс» – открывается окно «материальный баланс», вводим в результаты анализа следующие значения: Al203 = 1800, R20k= 1600, R20y= 220, SiO2 = 25, H20 = 9000.

Рисунок 7 - Материальный баланс

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.37.14

Получим КМ равный 711. Таким образом разработанная SCADA-система при расчётах учитывает химический состав сырья на входе, тепловую зависимость от температуры обескремнивания в автоклавах для расчёта КМ.

Разработка цифрового двойника участка обескремнивания при производстве глинозёма позволяет значительно повысить эффективность и экономичность производства, а также улучшить качество конечной продукции. Внедрение программных комплексов для автоматизации этих процессов позволяет оперативно реагировать на изменения в составе сырья и поддерживать высокое качество производимого глинозёма.