过程控制系统课程设计报告

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 .............................................................................................. 2 第二章 氧化铝高压溶出工序介绍 ................................................................................... 3

2.1 铝工业的国内外现状 ........................................................................................... 3

2.2 氧化铝生产过程 .................................................................................................. 4 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 .............................................................................................................. 12 3.3 自蒸发器 .......................................................................................................... 13 3.4 蒸汽缓冲器 ....................................................................................................... 14 第四章 氧化铝高压溶出工序3#溶出器温度控制系统设计 ............................................... 16

4.1 方案论证 .......................................................................................................... 16 4.2 硬件设计.......................................................................................................... 17

4.3 控制算法.......................................................................................................... 20 4.4 软件设计.......................................................................................................... 21 第五章 总 结................................................................................................................. 24

5.1 方案评价及改进方向 ........................................................................................ 24 5.2 收获及体会 ...................................................................................................... 24 参考文献........................................................................................................................ 26

第一章 概 述

现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强化，对产品质量的严格要求，以及各公司的激烈竞争，人工操作与控制已远远不能满足现代化生产的要求，工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备，因为，它是保证现代企业安全、优化、低功耗和高效益生产的主要技术手段。

由于工业生产过程各种各样而且非常复杂，工业生产过程可分连续的生产过程和离散的生产过程。因此，在设计工业生产过程控制系统时，必须花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程控制系统的首要条件。工业生产过程由简单到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的生产工业过程，生产出各种各样的产品满足人们的生活需要。作为工业生产过程的一部分的工业过程控制系统也在不断发展和提高。在工业生产过程中，通常需要测量和控制变量有：温度、压力、流量、物位（液位）、物质成分和物性（PH值）等。 1.1 设计目的

经过一个学期的过程控制系统课程的学习，对过程控制有了一个基本的了解。然而仅仅在理论方面是远远不够的，需要将所学的应用于实际生产过程中，只有这样才能真正的对过程控制有一个比较深入的认识，为以后的学习和工作打下一个良好的基础。通过这次课程设计，我们可以了解具体生产工业过程控制系统设计的基本步骤和方法。同时也对氧化铝的生产工艺有一个大概的认识，只有弄清楚生产工艺对控制的具体要求，才能去设计一个过程控制系统。 1.2 具体任务

由于氧化铝的生产工序相当复杂，相关的控制系统也很复杂。因此在此次的课程设计中所做的是氧化铝生产中的高压溶出工序，其具体生产设备源自于郑州铝厂。本次课程设计的具体任务是设计氧化铝高压溶出工序中的3#溶出器温度控制系统。3#溶出器需要将其温度控制在工艺要求的溶出温度245摄氏度左右，精度控制在+0.5摄氏度。溶出器的温度是溶出温度，对氧化铝的溶出率影响很大，保持溶出温度稳定，是提高溶出率的关键之一。

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1.3 氧化铝生产的意义

铝由于其自身的优良性能，一直以来都是经济发展过程中的重要材料，在国民经济的各个领域得到广泛的应用。近年来，铝产量大幅增长，作为电解铝的原料，氧化铝的供应显得尤为重要，国内氧化铝供应紧张、价格不断攀升。近年以来氧化铝的产量大幅攀升，供应的压力得到一定的缓解，价格也有一定程度的回落。但从长远来看，氧化铝作为资源性产品的供应应该得到重视，我们不仅要增加产量，更重要的是提升氧化铝的质量。从而提高铝产品的质量，满足日益增长的国民经济的需要。要提升氧化铝的质量，除了改进工艺之外，改善控制系统和提高控制精度也至关重要。

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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。

氧化铝是铝生产的主要原料，2吨氧化铝可以生产1吨铝锭。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。其中工业储量7.05亿t，占总保有储量的31%。 国内的氧化铝生产从50年代起步，80~90年代得到了快速发展，年生产能力已达到近800万吨。2006年氧化铝年产量约高达1300万吨，较去年同期提高57%，居世界第二位 。

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。

国内氧化铝供应紧张、价格不断攀升。据有关数据，2006年1-2月份，我国共生产氧化铝177.6万吨，同比增长44.6％。06年前9个月氧化铝产量为944万吨，较去年同期提高57%。

2007年的国际市场上，虽然铝市呈现供需两旺的局面，但由于占全球铝产量近三分之一的中国铝产量增长过快，铝市短期内出现了供过于求格局。全球金属统计局（WBMS）去年10月中旬表示，2007年1-8月份全球铝市过剩36.8万吨。8月份原铝产量为325.76万吨，消费量为302万吨，去年前8个月原铝需求为2450万吨，较去前年同期增加19.67万吨。同期铝产量增加25.85万吨至2484万吨。全球铝需求的增长赶不上产出的增速。供应增长的压力在库存上得以显现，并成为铝价大幅回落的主要因素。

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2007年1-9月我国累计生产原铝890 .1万吨，同比增长37.1%；累计生产铝材839.8万吨，同比增长47.1%。下游消费需求大幅增长的同时，氧化铝供应亦高水平增长。

1-9月我国累计生产氧化铝1439.7万吨，同比增加50.7%。在供需两旺的情况下，供应方面的因素主导了下半年来氧化铝价格的走势。 2.2 氧化铝生产过程 2.2.1生产过程简介

自然界产出的铝矿石有各种类型，同一种类型的铝矿石中各种杂质的含量又各不相同。为了最经济地生产出氧化铝，对不同的铝矿石便需采用不同的生产方法。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。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。

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：拜耳法，烧结法，混联法，选矿拜耳法。拜耳法适合Al/SiO2较高（Al/SiO2〉16）的矿石，其成本较低；烧结法适合Al/SiO2较低（Al/SiO2〈8）的矿石，其成本较高；混联法则适合Al/SiO2适中（大部分矿石的Al/SiO2在12以上，小部分矿石的Al/SiO2在8以下）的矿石，成本也适中；选矿拜耳法适合Al/SiO2为中低的矿石。我国由于矿石成分的原因，适合采用混联法生产氧化铝。 2.2.2 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95~100摄氏度时铝酸钠稳定，当降低温度和浓度时它转

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