精餾塔自動控制系統研究

馮旭 (中沙（天津）石化有限公司 天津

板式精餾塔具有生產能力大、操作穩定、清洗維修簡單等優點，被廣泛應用于化工生產中對混合物進行分離。在石油精餾過程中，利用石油中不同成分揮發度不同的特點進行多級氣化和冷凝可以將石油混合物中的多種組份進行分離。實際應用中會涉及到較多的物質成分精餾和操作步驟處理，故在板式精餾塔的操作和控制過程中要根據實際操作環境和精餾要求采取適當的操作工藝，增強精餾控制效果，保證分離產品的純度。

一、精餾原理概述

精餾技術就是將需要進行組份分離的混合溶液利用特定的輸入裝置輸入到精餾裝置內如精餾塔。在精餾塔內，混合物受到一定的壓力、溫度等的影響出現組份的分離，進而在精餾塔頂和精餾塔底分別出現含有不同組份的分離物，對塔底的分離物排出或利用回流泵讓其重新回到蒸餾塔中進行組份分離、對塔頂的分離物冷凝等操作即可獲得相應的生產產品。在石油化工生產中精餾過程需要使用到精餾塔、再沸器、冷凝器、回流泵和回流罐等器材和設備。

用于對混合物進行精餾的精餾塔可以按照如下幾種規則進行分類。若根據塔的組成結構對現有精餾塔進行分類可以將其分為板式精餾塔和填充材料塔兩種；若根據塔的功能實現對現有精餾塔進行分類可以將其分為二元精餾塔餾塔和多元精餾塔；若根據原料添加方式對現有精餾塔進行分類可以將其分為連續式精餾塔和間歇性精餾塔；若根據可精餾原料對現有精餾塔進行分類可以將其分為一般精餾塔和特殊精餾塔；若根據精餾塔工作壓力對現有精餾塔進行分類可以將其分為負壓精餾塔、常壓精餾塔、高壓精餾塔三種。

本文主要研究板式精餾塔工作中不同參數如進料方式、精餾壓力、塔釜溫度等對精餾操作和控制的要求和影響。

二、板式精餾塔工作約束條件分析

2.1、塔釜溫度

通常情況下，當操作壓力一定時，提升塔釜溫度可以有效提升氣化物質的上升速度，進而提高物質傳輸效率。對塔釜溫度控制的操作主要集中在平衡操作方面，無論所獲得的產品由塔頂氣體冷凝獲得，還是由塔釜排出物獲得，都應該盡量保證塔釜排出物中易揮發組份維持在較低水平，也就是保證精餾精度，減少物質損失。特別是在塔釜溫度的平衡操作過程中若突然出現溫度升高等突變情況，而相應的壓力未得到及時調整很容易導致塔釜液被蒸空，出現氣液組份的變化，致使產品精度變差甚至不合格。

2.2、操作壓力

塔釜壓力和溫度是一對相互關聯量，在操作溫度確定時，適當的提升塔釜內壓力可以有效促進混合物中易揮發物的揮發，進而提高精餾塔的生產效率。但是需要注意的是，在精餾塔的操作過程中應該保證塔釜的壓力與溫度處于相對穩定的狀態，避免出現對操作壓力或操作溫度額破壞，消除化工生產產品不合格情況的出現。

2.3、加料溫度

在對精餾塔進行加料時存在兩種情況，分別為冷液進料和飽和蒸汽進料。其中，冷液進料過程中由于加料溫度低于加料板溫度，一旦物料進入精餾塔便立即進入提餾段，使得提餾段內的負荷增加。飽和蒸汽進料過程中加料溫度高于加料板溫度，一旦物料進入精餾塔便立即進入精餾段，使得精餾段的負荷增加。在進行產品生產中需要根據生產要求選擇和控制適當的加料溫度。

2.4、加料量與組份變化

影響精餾塔內蒸氣壓力、氣化水平的另一個關鍵因素是精餾塔加料量。加料量的不同會直接影響精餾塔內蒸氣的含量。若加料量過低，則會降低塔內蒸氣速度，提升對塔釜操作的要求精度，操作不當容易使精餾效率下降，這種情況下為保證塔釜工作在正常狀態，可適當增大回流比。

加料中的各組份的占比對精餾塔的操作方式以及產品質量同樣具有重要影響。若加料中重組份的濃度較高則會對精餾段帶來較大的負荷，若加料中易揮發組份濃度較高則會對提餾段帶來較大的負荷，在實際操作過程中需要根據各成分的占比制定適當的操作內容，如加料口調整，塔釜溫度與壓力調整等，保證精餾操作的穩定。

三、精餾塔的操作控制

3.1、變量控制

在精餾塔的操作過程中涉及的變量可被分為操縱變量、被控變量以及干擾變量。其中，操縱變量包含塔底排出物流量、塔頂冷凝液流量、回流量、塔釜加熱蒸汽量、冷卻量等；被控變量包含塔底液位與產品濃度、塔頂蒸氣濃度、塔內壓力、貯罐液位等；干擾變量由可控的進料流量、溫度與不可控的進料成分、大氣壓力、環境溫度等構成。

三種變量的關系為：操縱變量與被控變量是主從關系，但是兩者之間又是相互影響，相互作用的，可通過調節各變量因素使精餾塔處于適當的工作狀態。干擾變量則是上述兩種變量的一種外部干擾因素，需要通過優化操作控制方式等降低其對整個精餾過程的影響，保證精餾控制系統處于最佳工作狀態。

3.2、平衡控制

在精餾過程中需要嚴格控制精餾塔的物料與能量的平衡，一方面通過控制物料的平衡促進進料中需要分離的產品按照要求得到分離，同時減少塔底排出物中含有需分離產品的濃度；另一方面通過不斷調整和干預塔釜內不同參數的狀態來解決精餾塔操作過程中積累的多種問題或對塔內狀態進行整定。

這種平衡控制通常是由自動控制系統完成的。

3.3、產品成分控制

精餾塔工作效果的最主要衡量指標就是產品的純度。為保證各產品的純度必須要通過自動控制系統對精餾過程中的產品流量、回流量、蒸發量等進行監測和控制。常用的產品成分控制方法有溫度控制法、分析儀器法和軟測量推斷控制法。鑒于現代化信息技術在工業控制中得到了廣泛應用，且其控制精度較高，實現成本較低，故軟測量推斷控制法得到了廣泛的關注和應用。

3.4、冷凝器與精餾塔壓力控制

對于常壓塔或負壓塔，塔頂冷凝器有氣體排出即可保證塔內壓力與大氣壓相同狀態或低于大氣壓，進而使混合物分離。但是對于高壓塔，需要設計和使用壓力聯鎖控制回路來控制冷凝器降低精餾塔塔內壓力，實現混合物的分離。

4、精餾塔節能優化與控制優化發展方向分析

板式精餾塔雖然裝置較為簡單，但是在使用生產過程中的能量損耗較大，需要投入的精力和成本較高，不同變量之間存在復雜的相互關系，故必須考慮如何對板式精餾塔進行節能優化和控制優化，在保證產品質量的前提下降低生產運行成本提升經濟效益。

在精餾塔的節能和控制優化研究方面，人們主要在工藝流程和操作參數兩方面進行了研究。在工藝流程優化方面有：使用高效規整填料替換普通板式填料；優化進料位置；改善冷凝器和再沸器工作狀態和工作精度；使用特殊精餾或多效精餾技術替代傳統精餾技術等。在操作參數優化方面通常會根據實際精餾系統建立控制模型，進而制定多種離線優化算法對裝置進行性能優化。但是對于操作參數的優化復雜度較高，在線優化深度不夠，考慮變量較少，優化效果有限。

綜合來看，上述優化方案中大部分仍處于實驗室或理論分析階段，還未獲得實質性的應用實踐。而工程實踐中可應用的，對精餾塔的優化主要集中在如何降低精餾塔的能源消耗，提升控制精度和控制效果等內容。如（1）根據實際工作環境和工作狀態更加精確的對冷凝器與再沸器的換熱效果進行制定，提升產品純度和品質；（2）優化現有精餾工藝和精餾流程，添加更多更高效的技術到精餾塔精餾過程中；（3）分析板式塔在原料填充方面存在的缺陷和不足，使用更加高效的填充材料對其進行替換；（4）應用計算機技術和傳感器技術對精餾塔進行自動化控制，提升各項操作和各平衡節點的精度，全面消除人為操作存在的誤差影響。

總結

市場競爭的加劇與現代信息技術特別是集成控制系統的發展使得石油化工生產過程中的精餾塔操作和控制過程引入了先進的計算機控制系統，現代化工業生產控制系統如DCS系統等可以有效提升精餾生產設備的工作效率，降低生產過程所需的能源消耗，控制產品精度和產品質量，推動先進精餾技術在化工精餾中得到應用，促使化工企業向更好更好的方向發展，實現經濟效益的持久性提高。

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