1 引言
流程仿真技術是以工藝過程的機理模型為基礎，采用數學方法來描述實際生產過程，通過計算機輔助計算手段，進行生產過程物料衡算、熱量衡算和能量分析，進行裝置調優、過程剖析和過程綜合，達到優化生產、節約資源、環境友好、提高經濟效益的目的，為工藝開發、工程設計以及優化操作提供理論指導。
流程仿真是20世紀50年代末期隨著計算機在化工中的應用而逐步發展起來的。開始只有適用于特定工藝過程（如氨合成、烴類裂解制乙烯等）的專用流程模擬系統，在對不同流程進行仿真時，則需要進行較大的改動；后來逐步發展到適用于各種工藝流程的通用流程模擬系統，到60年代后期化工模擬系統已得到推廣應用，成為化工流程的開發和設計以及現有生產操作改進的主要常規手段。由于物性數據的逐步完善，設備數學模型的研究，模擬的可靠性逐漸提高，應用范圍逐漸擴大，尤其在過程工業中發揮了越來越大的作用，在化工、石油、能源、環保等諸多領域均得到了廣泛的應用，并產生了顯著的經濟效益。[1，2，3，4，5]
2氧化鋁生產過程的流程仿真
2.1流程仿真技術原理
根據工藝過程所涉及到的基礎物性數據，引用或創建特定的物性包，建立生產過程中的單元設備的數學模型和單元設備之間的模型，從而完成完整描述實際生產過程系統的數學模型[6，7]。通過一定的數學方法對過程中所涉及到的模型進行聯列求解。通過裝置的穩態和動態模型，進行不同方案和工藝條件的分析，為新工藝的規劃、研究開發和技術可靠性進行分析，為生產實際提供優化操作指導。在動態模擬中，還可以通過不同控制策略的比較，對生產過程進行優化控制[5]。
生產過程的數學模型通常為一大型非線性代數方程組，過程模擬實質就是通過求解該非線性方程組來預測在一定工藝條件下生產過程的性能。常用的求解方法主要有序貫模塊法、聯立方程法和聯立模塊法[3]。
2.2氧化鋁生產工藝
氧化鋁的生產方法有酸法、堿法和熱法。目前氧化鋁工業生產實際應用的是堿法。堿法又包括拜耳法、燒結法及各種形式的聯合法。因拜耳法生產成本低，經濟效益好，流程相對簡單，應用最廣，所以主要介紹一下拜耳法的生產工藝。
所謂拜耳法是因為它是由K.J.bayer在1889－1892年提出而得名的。拜耳法主要包括兩個主要過程，一是Na2O與Al2O3摩爾比為1.8的鋁酸鈉在常溫下，只要添加氫氧化鋁作為晶種，不斷攪拌，溶液種的Al2O3就可以呈氫氧化鋁析出，直到其中Na2O： Al2O3的摩爾比提高到6為止，此即為鋁酸鈉溶液的晶種分解過程。另一過程是已經析出了大部分氫氧化鋁的溶液。在加熱時，又可以溶出鋁土礦中的氧化鋁水合物。此即利用種分母液溶出鋁土礦的過程。交替使用這兩個過程處理鋁土礦，得到氫氧化鋁產品，構成所謂拜耳法循環[8]。拜耳法的生產工藝流程圖如圖1所示。
3流程仿真軟件unisim在氧化鋁行業的應用
3.1 物料平衡
物料平衡是氧化鋁生產的核心，進行氧化鋁生產的物料平衡計算非常重要，通過物料平衡計算可以幫助確定最佳的生產方法和工藝流程，從而達到最好的經濟效益[9]。氧化鋁行業中傳統的物料平衡的計算過程不是按實際組分來進行計算的，比如NaOH以Na2O表示和計算，Al(OH)3以Al2O3表示和計算等。其中的反應物組分也是按此計算。
應用unisim軟件，按照物料真實的物性和真實的反應進行核算。其主要的原始物料有鋁土礦、石灰和苛性堿，各組成如表1，表2和表3所示。
所涉及的反應有主反應和副反應。
主反應包括：
溶出反應：AlOOH+NaOH+H2O=NaAl(OH)4
分解反應：NaAl(OH)4= NaOH+Al(OH)3
焙燒反應：Al(OH)3=Al2O3+ H2O
副反應包括：
水合鋁硅酸鈉：2NaOH+ 2AlOOH+2 SiO2 =Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O
鈦鈣渣：CaO + TiO2+ H2O =CaO.TiO2.H2O
鋁酸鈣：3CaO + 2AlOOH+5H2O =3CaO.Al2O3.6H2O
氫氧化鐵：Fe2O3+3H2O=2Fe(OH)3
根據鋁土礦成分的變化各種副反應會有所不同。
在unisim基礎環境中，首先根據所涉及到的物料的物性數據完善各組分，再建立上述各反應。
根據實際生產工藝參數，設定各反應的的轉化率和分流量，就可以完成氧化鋁生產的物料平衡計算，與傳統的計算氧化鋁物料平衡的方法相比，簡便很多，略去了很多中間各種組分量的計算過程，并且界面直觀，可以查看任意位置的物流組成。
某氧化鋁廠的物料平衡如圖2所示。
根據該物料平衡計算，可以進行幫助進行正確的生產調度，優化生產指標，進行經濟性評價等。
3.2模擬優化
基本設置：利用Unisim Design的物性估算功能建立氧化鋁溶出過程的所用到的物性參數，選用Antoine流體包。
基于以上基本設置，根據生產數據、PFD圖、PID圖、熱力學數據、實際生產要求（裝置工藝、操作條件、產品的性質指標）等基礎數據建立了某氧化鋁廠溶出過程的仿真模型，如圖所示3。
借助工況研究和優化工具，通過計算得到的時間序列分析和裝置隨條件變化而變化的預測，用于技術分析、優化生產，排出生產中的瓶頸，設備維護、操作員培訓和提高裝置操作水平。操作員還可以通過開環或閉環改變DCS 的給定值，實現優化操作。
4 應用效果分析
4.1 加深工藝技術人員對工藝的認識和理解
通過模擬模型的建立，能夠加深工藝技術人員對氧化鋁溶出工藝的認識和理解，并對工藝條件變化對工藝過程的影響有了較為形象和直觀的認識，能夠使工藝技術人員更好的判斷和處理生產過程的狀況和異常，提高裝置的運行周期和平穩率
4.2初步估計蒸汽耗量可降低2.1%
通過Unisim的優化模塊功能，對現有蒸汽的消耗量進行優化，初步計算能夠在保持溶出效果相同的情況下，降低2.1%左右的蒸汽耗量
4.3 建立壓力分布動態模型，以及壓力與孔板尺寸經驗模型，優化孔板尺寸
通過動態模型的建立，建立了氧化鋁溶出過程的壓力分布模型，對于十級閃蒸部分壓力預測非常重要，通過建立的壓力與孔板尺寸經驗模型，預測孔板尺寸，對于孔板尺寸的調整具有重要的指導作用
4.4對現有控制方案進行測試和優化
建立的動態模型，具有對現有控制方案進行測試和優化控制參數的作用，因此在動態模型中可以嘗試調整現有的控制方案、優化控制參數，將會對整個工藝生產過程的穩定起到重要的指導作用，弱化工藝參數波動對生產過程的影響，提高裝置的生產運行周期，具有較為重要的意義
5 總結
流程仿真技術在石油、化工、能源等領域的成功應用，達到了優化工藝流程、提升設備產能、提高生產率、提高產品質量、降低生產成本的目的。國外氧化鋁的流程仿真，已經在工藝參數優化、生產流程優化、新控制策略的的開發、員工培訓和事故處理，提升產品質量方面得到了廣泛的應用[9，10，11，12]。把流程模擬和優化技術應用于我國的氧化鋁行業，一定會提升傳統生產水平，增強我國氧化鋁行業的競爭力。
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作者簡介：劉志明，男，1979年08月出生，工程師，中國鋁業鄭州研究院從事氧化鋁生產過程的模擬仿真和優化工作。
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