一种磷酸生产过程的优化方法及优化装置

摘要

本发明提供一种磷酸生产过程的优化方法及优化装置，所述优化方法对半水反应过程、一次固液分离过程、晶型转化过程和二次固液分离过程各装置构建生产单元机理模型；以经济效益最大为优化目标，操作参数为决策变量，在约束条件下构建全流程生产操作优化模型；求解所述优化模型得到较优的决策变量，充分发挥现有生产流程的潜能，提高企业整体经济效益，对提升整个流程生产运行水平具有重要实际意义。

说明书

技术领域

本发明涉及磷酸生产技术领域，尤其涉及一种磷酸生产过程的优化方法及优化装置。

背景技术

磷酸是重要的化工原料，不仅是高浓度肥料的主要原料，也是制造多种精细磷酸盐产品的中间原料。磷酸生产工艺可分为湿法磷酸和热法磷酸。热法磷酸工艺由于能耗高、生产成本较大，为此国内外主要选择湿法磷酸工艺处理磷精矿。

湿法磷酸工艺又可分为半水法、二水法、半水-二水法和二水-半水法。其中二水法由于技术成熟、操作稳定可靠、对矿石的适应性强等优点，在我国湿法磷酸工艺中居于主导地位，约占总磷酸的80％。然而，二水法磷酸工艺依然存在能耗高、磷收率低、磷石膏综合利用困难等瓶颈问题。

近年来围绕节能减排，我国湿法磷酸生产企业相继引进或消化吸收半水-二水法，该工艺具有磷回收率高、所生产磷酸浓度高、能耗低、磷石膏质量好、污染排放少等诸多优点。

但是由于缺乏半水-二水再结晶过程中的酸解机制、结晶和水化相变规律的深入理解，当前整个流程的生产操作、控制与决策仍然很大程度依赖知识经验来完成，导致操作成本高、效率低、资源能源消耗大、产品质量不稳等问题，生产过程的模拟与优化操作是解决当前磷酸工业资源利用率低、控制难问题的核心。

当前，国内外对磷酸生产工艺的节能和优化主要集中于单体设备或单一工序，以解决局部优化与控制问题，如磷酸反应槽及结晶过程的模拟和设备优化为主，并未广泛实施统筹资源、能源利用及工艺参数的系统设定方法，这种仅考虑单一设备或工序得到的只是局部优化方案，难以保证全局的最优平衡效果，显然无法支撑企业实现生产成本最小，即经济效益最大的需求。

因此，需要建立一个能准确描述从原料到产品的半水-二水法磷酸生产过程全流程模型，实现磷酸生产全流程的协同优化控制与智能优化运行提供模型和方法基础，从而促进湿法磷酸工业的智能化发展。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种磷酸生产过程的优化方法及优化装置，所述优化方法实现了磷酸生产从原料到产品整个工艺流程的模拟与工艺操作参数的全局优化设定，充分发挥了现有生产流程的潜能，提高了企业整体经济效益，能够为提高整个流程生产运行水平提供重要参考依据。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种磷酸生产过程的优化方法，所述优化方法包括如下步骤：

(1)根据磷酸生产中的工艺数据，对机理模型中的经验参数进行校正；所述磷酸生产包括半水反应过程、一次固液分离过程、晶型转化过程和二次固液分离过程；

(2)根据校正后的机理模型，构建具有约束条件，以优化目标为导向，对决策变量进行优化的优化模型，并对所述优化模型求解；所述优化目标包括经济效益；所述决策变量包括操作参数。

本发明提供的磷酸生产过程的优化方法以已有实际生产中的工艺数据为基础，对机理模型进行校正，从而得到更优的机理模型中的经验参数，使机理模型能够更加准确的反应磷酸生产过程中的物质变化；并以经济效益为优化目标，构建优化模型，从而基于整体流程对磷酸生产过程中的决策变量进行优化，提高磷酸生产的经济效益，为实际生产提供指导数据。

优选地，步骤(1)中所述工艺数据包括历史运行数据。

本发明所述工艺数据可以是已有的历史运行数据，也可以是为了本优化模型的建立而新运行的数据。

更进一步地，可对所述工艺数据进行预处理后再用于校正机理模型。

优选地，步骤(1)中所述工艺数据包括原料数据、设备参数、工艺控制指标、操作参数和产品参数。

优选地，所述原料数据包括原料流量、原料组成和原料性质。

优选地，所述原料组成包括硫酸组成和磷矿组成。

优选地，所述硫酸组成包括硫酸浓度。

优选地，所述磷矿组成包括磷矿中P

本发明所述磷矿组成还可包括磷矿中F含量。

优选地，所述原料性质包括磷矿粒径和磷矿密度。

优选地，所述设备参数包括设备流程、设备结构和设备特性参数。

优选地，所述设备特性参数包括反应装置尺寸参数和搅拌装置尺寸参数。

优选地，所述工艺控制指标包括操作过程中物料组成和物料性质。

优选地，所述操作参数包括不同原料配比、循环流股流量占比、搅拌速度、操作温度、操作时间或操作压力中任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述产品参数包括产品产量和产品组成。

优选地，所述产品产量包括成品磷酸产量。

优选地，所述产品组成包括成品磷酸组成和磷石膏组成。

优选地，所述成品磷酸组成包括成品磷酸中二氧化二磷浓度和成品磷酸中硫酸浓度。

优选地，所述磷石膏组成包括磷石膏中残磷含量、磷石膏中水溶磷含量和磷石膏中游离水含量。

优选地，步骤(1)中所述机理模型包括物料平衡模型、能量平衡模型、磷矿反应动力学模型和硫酸钙结晶动力学模型。

优选地，所述磷酸生产还包括一次真空闪蒸冷却和二次真空闪蒸冷却。

优选地，所述物料平衡模型包括半水反应过程物料平衡模型、一次固液分离过程物料平衡模型、晶型转化过程物料平衡模型和二次固液分离过程物料平衡模型。

优选地，所述物料平衡模型还包括真空闪蒸冷却物料平衡模型。

优选地，所述能量平衡模型包括半水反应过程能量平衡模型和晶型转化过程能量平衡模型。

优选地，所述能量平衡模型还包括真空闪蒸冷却能量平衡模型。

优选地，步骤(1)中所述经验参数包括磷矿反应动力学模型中料浆液相密度函数的拟合系数。

优选地，所述经验参数包括磷矿反应动力学模型中粘度函数的拟合系数。

优选地，所述经验参数包括硫酸钙结晶动力学模型中硫酸钙溶解度模型的回归系数。

优选地，步骤(1)中所述校正包括：以工艺指标预测值与实际值差的平方最小为目标，对机理模型优化求解，获得校正后的机理模型经验参数。

优选地，所述工艺指标包括转化率和反应料浆中晶体含量。

优选地，所述优化采用差分进化算法进行优化求解。

优选地，步骤(2)中所述约束条件包括机理模型约束、工艺控制指标约束、产品流量约束、产品组成约束、装置负荷约束和决策变量的边界条件约束。

优选地，所述工艺控制指标包括生产中料浆的组成约束、料浆的温度约束和真空闪蒸冷却的温度降约束。

优选地，所述料浆的组成约束包括料浆中P

优选地，所述产品组成约束包括成品磷酸组成约束和磷石膏组成约束。

优选地，所述成品磷酸组成约束包括成品磷酸中P

优选地，所述磷石膏组成约束包括磷石膏中P

优选地，步骤(2)中所述优化模型为单目标多约束模型。

优选地，所述优化求解的算法包括差分进化算法。

优选地，所述优化求解包括：将单目标多约束模型转化为双目标无约束模型，采用多目标差分进化算法进行优化求解。

作为本发明优选地技术方案，所述优化方法包括如下步骤：

(1’)获取湿法磷酸生产中的工艺数据；

(2’)构建湿法磷酸各生产过程的机理模型；所述磷酸生产包括半水反应过程、一次固液分离过程、晶型转化过程和二次固液分离过程；

(3’)根据磷酸生产中的工艺数据，对机理模型中的经验参数进行校正；

(4’)根据校正后的机理模型，确定约束条件、优化目标和决策变量，构建优化模型；所述优化目标包括经济效益；所述决策变量包括操作参数

(5’)求解优化模型，得到优化后的决策变量。

作为本发明优选地技术方案，所述优化方法包括如下步骤：

(1’)获取湿法磷酸生产中的工艺数据；

所述生产工艺数据包括原料数据、设备参数、工艺控制指标、操作参数和产品参数；所述原料数据包括原料流量、原料组成和原料性质；所述原料组成包括磷矿组成和硫酸浓度；所述磷矿组成包括P

(2’)构建湿法磷酸各生产过程的机理模型；所述磷酸生产包括半水反应过程、一次固液分离过程、晶型转化过程和二次固液分离过程；所述磷酸生产还包括一次真空闪蒸冷却和二次真空闪蒸冷却；具体地，机理模型构建如下：

(2.1)物料衡算模型

半水反应过程物料衡算模型中第i反应单元物料衡算模型如式(1)～(7)所示：

F

F

式(1)～(7)中，F表示质量流量；下标pr，im和sl分别表示反应单元料浆中的未分解磷矿、不溶物和液相部分；下标sa，ra和rs分别表示进入反应单元的硫酸、返酸和循环料浆；X表示反应料浆液相的各组分的质量百分含量；M表示物质的摩尔质量；下标PA、SA、P、CS和G分别表示磷酸、硫酸、五氧化二磷、硫酸钙和其结晶体(半水或二水硫酸钙)；下标i表示第i反应单元；全文相同，B

一次真空闪蒸冷却物料平衡模型如式(8)～(13)所示：

F

F

F

F

F

F

式(8)～式(13)中，下标in表示入口料浆，out表示出口料浆，下标vc表示真空闪蒸冷却器，全文相同，F

一次固液分离过程物料平衡模型包括一次过滤物料平衡模型、二次过滤物料平衡模型、回磷酸槽物料平衡模型和三次过滤物料平衡模型。

其中，一次过滤物料平衡模型如式(14)～(17)所示：

F

F

F

式(14)～(17)中，F

二次过滤物料平衡模型如式(18)～(22)所示：

F

F

F

λ

式(18)～(22)中，F

返回半水反应过程的平衡模型如式(23)～(24)所示：

F

F

式(23)～(24)中，F

三次过滤物料平衡模型如式(25)～(29)所示：

F

F

F

λ

式(25)～(29)中，F

晶型转化过程物料平衡模型如式(30)～(36)所示：

F

F

式(30)～(36)中，F

二次真空闪蒸冷却器的物料平衡如式(37)～(42)所示：

F

F

F

F

F

F

式(37)～(42)中，F

二次固液分离过程的质量平衡模型，由于固液分离过程的质量平衡模型基本相同，本发明中二次固液分离过程的质量平衡模型与一次固液分离过程的质量平衡模型类似，不再赘述。

(2.2)能量平衡模型

半水反应过程中第i反应单元能量平衡模型如式(43)～(46)所示：

C

ΔH

ΔH

式(43)～(46)中，C

一次真空闪蒸冷却器能量平衡模型如式(47)所示：

式(47)中，T

晶型转化过程中的能量平衡模型如式(48)～(50)所示：

ΔH

ΔH

式(48)～(50)中，C

二次真空闪蒸冷却器能量平衡模型如式(51)所示：

式(51)中，T

(2.3)磷矿酸解动力学模型：

磷矿颗粒酸解模型如式(52)～(56)所示：

C

式(52)～(56)中，φ

假设磷矿颗粒为球形，则单个磷矿颗粒转化率的计算如式(57)所示：

磷矿颗粒在反应器i内的停留时间分布密度函数如式(58)所示：

则磷矿颗粒的粒径大小分布函数如式(60)所示：

第i个反应单元出口的平均转化率：

联立(57)～(61)可得：

式(62)中：

式(57)～(63)中，X表示单个磷矿颗粒的转化率；r为反应过程中磷矿颗粒未反应芯半径；R为反应前磷矿初始颗粒半径；E

其中，反应中料浆液相密度和粘度计算分别如式(64)和式(65)所示：

式(64)～(65)中，T表示操作温度，f

(2.4)硫酸钙结晶动力学模型

晶体的质量生长速率计算如式(66)所示：

ν

硫酸钙过饱和度计算如式(67)所示：

晶体线性生长速率计算如式(68)所示：

晶体粒数密度计算如式(69)所示：

晶核粒数密度经验公式如式(70)所示：

具体举例：第1反应单元的晶体粒数密度计算如式(71)所示：

其中，硫酸钙晶体含量计算如式(72)所示：

式(66)～(72)中，ν

硫酸钙在料浆环境内的饱和浓度计算如式(73)所示：

式(73)中，HG和DG分别代表半水硫酸钙(CaSO

(3’)根据磷酸生产中的工艺数据，对机理模型中的经验参数进行校正；

基于选取的磷矿酸解动力学模型和硫酸钙结晶动力学模型和各反应单元内的物料和能量衡算模型，分别选取反应器出口的转化率和出口料浆中晶体含量的机理模型预测值和实际值差的平方最小为目标，将动力模型参数校正问题转化为两个单目标无约束优化问题。所述优化问题表达为如式(74)所示：

其中，优化变量U

根据步骤(1’)中所采集的实际工艺数据，采用差分进化算法对所建两个单目标无约束优化问题进行优化求解，获得机理模型参数的优化估值，实现机理模型的校正；

(4’)根据校正后的机理模型，确定约束条件、优化目标和决策变量，构建优化模型；所述优化目标包括经济效益；所述决策变量包括操作参数；

优化目标：以磷酸生产过程经济效益最大化为优化目标，如式(75)所示：

式(75)中，C

决策变量：各股硫酸流量、原料磷矿流量、返酸流量、石膏洗涤水流量、循环料浆比和真空闪蒸冷却器真空度。

约束条件包括：磷酸生产过程机理模型(包括物料平衡模型、能量平衡模型、磷矿酸解动力学模型和硫酸钙结晶动力模型)、工艺控制指标(包括各反应过程料浆液相P

(4.1)工艺控制指标约束

料浆液相P

料浆液相H

料浆液相CaO浓度约束：

料浆的固含量约束：

料浆的温度约束：

真空闪蒸冷却的温度降约束：

(4.2)产品组成约束

成品磷酸中P

成品磷酸中H

磷石膏中水溶性P

磷石膏中H

磷石膏中固含量约束：

(4.3)产品流量约束：

(4.4)装置进负荷约束：

料浆进料流量约束：

硫酸进料流量约束：

返回磷酸进料流量约束：

出口料浆流量约束：

(4.5)决策变量的边界约束

磷矿投入量约束：

硫酸给定量约束：

料浆循环倍率约束：

真空闪蒸冷却器的真空度约束：

(5’)求解优化模型，得到优化后的决策变量，具体如下：

将步骤(4’)模型中的单目标多约束优化问题转化成两个目标的多目标无约束优化问题，其数学表达式可描述为如(76)所示：

式(76)中，D为决策向量

其中，

式(77)为整个磷酸生产生产过程中的约束破坏程序；i为约束条件的索引号，m为所有约束条件的数量，q为其中的等式约束条件的数量；

采用基于Pareto最优的多目标差分进化算法对式(76)和式(77)中两目标无约束优化问题进行优化求解。

优选地，所述优化求解的方法包括差分进化算法。

优选地，所述差分进化算法包括如下步骤：

步骤a，获取决策向量搜索空间，并设定参数；

步骤b，初始化种群；

步骤c，计算各个个体的目标函数值；

步骤d，进行变异操作和交叉操作，以生成新个体；

步骤e，进行选择操作：将交叉变异后新产生的种群与初始种群混合，基于Pareto支配关系的排序方法进行排序，选择出N个最佳的个体进入下一代种群中；

步骤f，判断是否满足终止条件，若是，则执行下一步骤，否则返回执行步骤c；

步骤g，输出整个过程的最优决策变量和最优化目标值。

具体的，步骤a中获取实际磷酸生产过程中各操作参数调节范围，包括进料负荷范围、循环料浆倍比范围和闪蒸冷却器真空度调节范围，定义决策向量的搜索空间D。在此基础上，设置差分进化算法参数，包括种群大小、最大进化代数、变异参数和交叉参数。

步骤b中：在决策向量的整个搜索空间内，随机生成N(N为种群规模)个个体组成的初始化种群。

步骤c中：将种群中每个个体作为系统变量输入全流程模拟计算模型，计算系统的运行成本与约束违反惩罚项作为个体适应度值。

由以上可以看出，磷酸生产的整体流程复杂，约束条件非常多，本发明通过将单目标多约束模型修改为双目标无约束模型，简化了求解步骤，且与差分进化算法相组合，显著降低大规模约束条件带来的庞大计算量，可以迅速获得最优生产工艺操作参数设定方案，实现生产全过程的集成协调与优化分配，最大化发挥现有生产流程的潜能，提高企业整体经济效益。

第二方面，本发明提供一种磷酸生产过程的优化装置，所述优化装置包括如下模块：数据模块、机理模型模块、模型校正模块以及决策变量优化模块；

所述数据模块用于获取磷酸生产的工艺数据；

所述机理模型模块用于构建和/或调用磷酸生产的机理模型；

所述模型校正模块利用数据模块中的工艺数据对所述机理模型进行校正；

所述决策变量优化模块根据机理模型，构建具有约束条件，以优化目标为导向，对决策变量进行优化的优化模型，并对所述优化模型求解。

本发明所述磷酸生产过程的优化装置能够执行第一方面所述的磷酸生产过程的优化方法，用于实际生产中能够实现磷酸生产过程中数据的获取、生产过程参数的监控以及决策变量的优化调整，应用前景广阔。

优选地，所述优化装置还包括用于将优化后决策变量运用至磷酸生产中的方案执行模块。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的磷酸生产过程的优化方法能够发挥现有生产流程的潜能，提高企业整体经济效益，为提高整个流程生产运行水平提供指导；

(2)本发明提供的磷酸生产过程的优化方法构建生产过程机理模型，能够准确表征磷酸生产从原料到产品整个生产过程的运行状态，能够针对磷酸生产整体流程的模拟和计算，从而能够实现全流程参数的统一优化和计算，更有利于提高经济效益；

(3)本发明提供的磷酸生产过程的优化方法综合考虑了磷酸生产过程机理、工艺控制条件及影响生产成本各因素，同时考虑了工艺控制指标、产品需求约束、产品物性要求等各种约束条件，保证了优化操作方案的可执行性；建立以经济效益为目标构建全流程生产操作优化模型；

(4)本发明提供的磷酸生产过程的优化方法提出将单目标优化转化成双目标无约束优化问题，并采用差分多目标优化算法进行优化求解，显著降低大规模约束条件带来的庞大计算量，可以迅速获得最优生产工艺操作参数设定方案，实现生产全过程的集成协调与优化分配，最大化发挥现有生产流程的潜能，提高企业整体经济效益。

附图说明

图1是本发明提供的磷酸生产过程的整体流程图。

图2是本发明提供的磷酸生产过程的优化方法流程图。

图中：11、第一半水反应器；12、第二半水反应器；13、第三半水反应器；14、第四半水反应器；15、第五半水反应器；16、第一真空闪蒸冷却器；17、尾气洗涤塔；21、第一过滤器；22、第二过滤器；23、第三过滤器；24、第一滤液槽；25、第二滤液槽；31、第一晶型转化反应器；32、第二晶型转化反应器；33、第二真空闪蒸冷却器；41、第四过滤器；42、第五过滤器；43、第六过滤器；44、第三滤液槽；45、第四滤液槽。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

本发明中磷酸生产过程的流程图如图1所示，从图1可以看出，所述磷酸生产过程包括如下步骤：

(1)半水反应过程：含磷矿的磷矿浆经流量计和密度计测定后，通入第一半水反应器11，硫酸同样经计量后分流通入第一半水反应器11、第二半水反应器12和第三半水反应器13进行反应，第三半水反应器13反应后流股通入第四半水反应器14中继续进行反应，其中，第一半水反应器11、第二半水反应器12、第三半水反应器13和第四半水反应器14中产生的尾气均送入尾气洗涤塔17中进行尾气处理；第四半水反应器14中反应后浆料部分送入第一真空闪蒸冷却器16中进行冷却，冷却浆料循环至第三半水反应器13中继续反应，第四半水反应器14中反应后浆料部分继续通入第五半水反应器15中反应，第五半水反应器15中反应后浆料分为两股流股，其中一股以循环料浆的形式返回至第一半水反应器11中；第二流股送入一次固液分离流程中；

(2)一次固液分离过程：第五半水反应器15反应后浆料的第二流股送入第一过滤器21中进行一次过滤，滤液送入第一滤液槽24中，得到成品磷酸；第一滤液槽24中部分滤液送入第二滤液槽25中；一次过滤后滤饼送入第二过滤器22中进行二次过滤，并加入洗水(第三过滤器23中的二段洗水)进行洗涤，产生的洗水进入第二滤液槽25中，分三股作为循环到半水反应的返酸分别循环至第一半水反应器11、第二半水反应器12和第三半水反应器13中；经二次过滤后的滤饼送入第三过滤器23中，并加入洗水(来自二次固液分离的洗水)进行洗涤和过滤，洗涤后滤饼送入晶型转化流程中；洗涤后洗水作为二段洗水循环至第二过滤器22中；

(3)晶型转化过程：一次固液分离洗涤后的滤饼即为半水石膏，进入第一晶型转化反应器31中，加入硫酸进行反应，反应后浆料送入第二晶型转化反应器32中继续反应；反应后产生的气体经第二真空闪蒸冷却器33冷却后液相循环至第一晶型转化反应器31中重复利用，气体排出；所述第二晶型转化反应器32产生的晶型转化料浆送至二次固液分离流程中；

(4)二次固液分离过程：来自第二晶型转化反应器32的晶型转化料浆送入第四过滤器41进行过滤，滤液送入第三滤液槽44，并以循环洗水循环至一次固液分离的第三过滤器23中；第四过滤器41过滤产生的滤饼送入第五过滤器42中，并加入二段洗水进行洗涤，第五过滤器42产生的滤液送入第四滤液槽45中并循环至第二晶型转化反应器32中作为到晶型转化工序的淡酸使用，所述第五过滤器42产生的滤饼送入第六过滤器43中，并加入洗涤水进行洗涤，第六过滤器43的滤液作为二段洗水循环至第四过滤器41中，滤饼作为磷石膏产品产出。

本发明提供的磷酸生产过程的优化方法流程图如图2所示，其具体包括如下步骤：

(1’)获取湿法磷酸生产中的工艺数据；

(2’)构建湿法磷酸各生产过程的机理模型；所述磷酸生产包括半水反应过程、一次固液分离过程、晶型转化过程和二次固液分离过程；

(3’)根据磷酸生产中的工艺数据，对机理模型中的经验参数进行校正；

(4’)根据校正后的机理模型，确定约束条件、优化目标和决策变量，构建优化模型；所述优化目标包括经济效益；所述决策变量包括操作参数，建立磷酸生产过程的全流程优化模型；

(5’)采用多目标约束处理策略和多目标差分进化算法对优化模型进行优化求解，得到优化后的决策变量及优化后经济指标，优化结束。

一、实施例

实施例1

本实施例提供一种磷酸生产过程的优化方法，所述优化方法包括如下步骤：

(1’)获取湿法磷酸生产中的工艺数据；

所述生产工艺数据包括原料数据、设备参数、工艺控制指标、操作参数和产品参数；所述原料数据包括原料流量、原料组成和原料性质；所述原料组成包括磷矿组成和硫酸浓度；所述磷矿组成包括P

(2’)构建湿法磷酸各生产过程的机理模型；所述磷酸生产包括半水反应过程、一次固液分离过程、晶型转化过程和二次固液分离过程；所述磷酸生产还包括一次真空闪蒸冷却和二次真空闪蒸冷却；具体地，机理模型构建如下：

(2.1)物料衡算模型

半水反应过程物料衡算模型中第i反应单元物料衡算模型如式(1)～(7)所示：

F

F

式(1)～(7)中，F表示质量流量；下标pr，im和sl分别表示反应单元料浆中的未分解磷矿、不溶物和液相部分；下标sa，ra和rs分别表示进入反应单元的硫酸、返酸和循环料浆；X表示反应料浆液相的各组分的质量百分含量；M表示物质的摩尔质量；下标PA、SA、P、CS和G分别表示磷酸、硫酸、五氧化二磷、硫酸钙和其结晶体(半水或二水硫酸钙)；下标i表示第i反应单元；全文相同，B

一次真空闪蒸冷却物料平衡模型如式(8)～(13)所示：

F

F

F

F

F

F

式(8)～式(13)中，下标in表示入口料浆，out表示出口料浆，下标vc表示真空闪蒸冷却器，全文相同，F

一次固液分离过程物料平衡模型包括一次过滤物料平衡模型、二次过滤物料平衡模型、回磷酸槽物料平衡模型和三次过滤物料平衡模型。

其中，一次过滤物料平衡模型如式(14)～(17)所示：

F

F

F

式(14)～(17)中，F

二次过滤物料平衡模型如式(18)～(22)所示：

F

F

F

λ

式(18)～(22)中，F

返回半水反应过程的平衡模型如式(23)～(24)所示：

F

F

式(23)～(24)中，F

三次过滤物料平衡模型如式(25)～(29)所示：

F

F

F

λ

式(25)～(29)中，F

晶型转化过程物料平衡模型如式(30)～(36)所示：

F

F

式(30)～(36)中，F

二次真空闪蒸冷却器的物料平衡如式(37)～(42)所示：

F

F

F

F

F

F

式(37)～(42)中，F

二次固液分离过程的质量平衡模型，由于固液分离过程的质量平衡模型基本相同，本发明中二次固液分离过程的质量平衡模型与一次固液分离过程的质量平衡模型类似，不再赘述。

(2.2)能量平衡模型

半水反应过程中第i反应单元能量平衡模型如式(43)～(46)所示：

C

ΔH

ΔH

式(43)～(46)中，C

一次真空闪蒸冷却器能量平衡模型如式(47)所示：

式(47)中，T

晶型转化过程中的能量平衡模型如式(48)～(50)所示：

ΔH

ΔH

式(48)～(50)中，C

二次真空闪蒸冷却器能量平衡模型如式(51)所示：

式(51)中，T

(2.3)磷矿酸解动力学模型：

磷矿颗粒酸解模型如式(52)～(56)所示：

C

式(52)～(56)中，φ

假设磷矿颗粒为球形，则单个磷矿颗粒转化率的计算如式(57)所示：

磷矿颗粒在反应器i内的停留时间分布密度函数如式(58)所示：

则磷矿颗粒的粒径大小分布函数如式(60)所示：

第i个反应单元出口的平均转化率：

联立(57)～(61)可得：

式(62)中：

式(57)～(63)中，X表示单个磷矿颗粒的转化率；r为反应过程中磷矿颗粒未反应芯半径；R为反应前磷矿初始颗粒半径；E

其中，反应中料浆液相密度和粘度计算分别如式(64)和式(65)所示：

式(64)～(65)中，T表示操作温度，f

(2.4)硫酸钙结晶动力学模型

晶体的质量生长速率计算如式(66)所示：

ν

硫酸钙过饱和度计算如式(67)所示：

晶体线性生长速率计算如式(68)所示：

晶体粒数密度计算如式(69)所示：

晶核粒数密度经验公式如式(70)所示：

ψ

具体举例：第1反应单元的晶体粒数密度计算如式(71)所示：

其中，硫酸钙晶体含量计算如式(72)所示：

式(66)～(72)中，ν

硫酸钙在料浆环境内的饱和浓度计算如式(73)所示：

式(73)中，HG和DG分别代表半水硫酸钙(CaSO

(3’)根据磷酸生产中的工艺数据，对机理模型中的经验参数进行校正；

基于选取的磷矿酸解动力学模型和硫酸钙结晶动力学模型和各反应单元内的物料和能量衡算模型，分别选取反应器出口的转化率和出口料浆中晶体含量的机理模型预测值和实际值差的平方最小为目标，将动力模型参数校正问题转化为两个单目标无约束优化问题。所述优化问题表达为如式(74)所示：

其中，优化变量U

根据步骤(1’)中所采集的实际工艺数据，采用差分进化算法对所建两个单目标无约束优化问题进行优化求解，获得机理模型参数的优化估值，实现机理模型的校正，其中求得的经验参数值如下：

料浆液相密度计算模型的回归参数a

硫酸钙溶解度计算模型的回归系数α，β，γ，λ和ν分别为2.8792、0.0139、-8.9429、5.9658和-0.01185；二水硫酸钙(CaSO

(4’)根据校正后的机理模型，确定约束条件、优化目标和决策变量，构建优化模型；所述优化目标包括经济效益；所述决策变量包括操作参数；

优化目标：以磷酸生产过程经济效益最大化为优化目标，如式(75)所示：

式(75)中，C

决策变量：各股硫酸流量、原料磷矿流量、返酸流量、石膏洗涤水流量、循环料浆比和真空闪蒸冷却器真空度。

约束条件包括：磷酸生产过程机理模型(包括物料平衡模型、能量平衡模型、磷矿酸解动力学模型和硫酸钙结晶动力模型)、工艺控制指标(包括各反应过程料浆液相P

(4.1)工艺控制指标约束

料浆液相P

料浆液相H

料浆液相CaO浓度约束：

料浆的固含量约束：

料浆的温度约束：

真空闪蒸冷却的温度降约束：

(4.2)产品组成约束

成品磷酸中P

成品磷酸中H

磷石膏中水溶性P

磷石膏中H

磷石膏中固含量约束：

(4.3)产品流量约束：

(4.4)装置进负荷约束：

料浆进料流量约束：

硫酸进料流量约束：

返回磷酸进料流量约束：

出口料浆流量约束：

(4.5)决策变量的边界约束

磷矿投入量约束：

硫酸给定量约束：

料浆循环倍率约束：

真空闪蒸冷却器的真空度约束：

(5’)求解优化模型，得到优化后的决策变量，具体如下：

将步骤(4’)模型中的单目标多约束优化问题转化成两个目标的多目标无约束优化问题，其数学表达式可描述为如(76)所示：

式(76)中，D为决策向量

其中，

式(77)为整个磷酸生产生产过程中的约束破坏程序；i为约束条件的索引号，m为所有约束条件的数量，q为其中的等式约束条件的数量；

采用基于Pareto最优的多目标差分进化算法对式(76)和式(77)中两目标无约束优化问题进行优化求解。

所述差分进化算法包括如下步骤：

步骤a，获取决策向量搜索空间，并设定参数；

步骤b，初始化种群；

步骤c，计算各个个体的目标函数值；

步骤d，进行变异操作和交叉操作，以生成新个体；

步骤e，进行选择操作：将交叉变异后新产生的种群与初始种群混合，基于Pareto支配关系的排序方法进行排序，选择出N个最佳的个体进入下一代种群中；

步骤f，判断是否满足终止条件，若是，则执行下一步骤，否则返回执行步骤c；

步骤g，输出整个过程的最优决策变量和最优化目标值。

具体的，步骤a中获取实际磷酸生产过程中各操作参数调节范围，包括进料负荷范围、循环料浆倍比范围和闪蒸冷却器真空度调节范围，定义决策向量的搜索空间D。在此基础上，设置差分进化算法参数，包括种群大小、最大进化代数、变异参数和交叉参数。

步骤b中：在决策向量的整个搜索空间内，随机生成N(N为种群规模)个个体组成的初始化种群。

步骤c中：将种群中每个个体作为系统变量输入全流程模拟计算模型，计算系统的运行成本与约束违反惩罚项作为个体适应度值。

本实施例1中优化后的决策变量可直接应用于生产改进，优化后的经济效益显著高于优化前的经济效益，实际生产价值高。

实施例2

本实施例提供一种磷酸生产过程的优化装置，所述优化装置包括如下模块：数据模块、机理模型模块、模型校正模块以及决策变量优化模块；所述数据模块用于获取磷酸生产的工艺数据；所述机理模型模块用于构建和/或调用磷酸生产的机理模型；所述模型校正模块利用数据模块中的工艺数据对所述机理模型进行校正；所述决策变量优化模块根据机理模型，构建具有约束条件，以优化目标为导向，对决策变量进行优化的优化模型，并对所述优化模型求解；所述优化装置还包括用于将优化后决策变量运用至磷酸生产中的方案执行模块。

所述优化装置可执行实施例1中提供的优化方法，能够更大程度上挖掘磷酸生产过程的经济潜能，降低生产成本，提高经济效益。

综上所述，本发明提供的磷酸生产过程的优化方法对半水反应过程、一次固液分离过程、晶型转化过程和二次固液分离过程各装置构建生产单元机理模型；以经济效益最大为优化目标，充分发挥了现有生产流程的潜能，提高企业整体经济效益，对提升整个流程生产运行水平具有重要实际意义。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。