精餾塔控制和節(jié)能優(yōu)化研究

＊祝建章 吳蕾 楊嶸晟

（巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新疆 841000）

引言

在我國的工業(yè)生產(chǎn)過程中，石油化工產(chǎn)業(yè)需要消耗大量的能源，而在進(jìn)行石油化工生產(chǎn)時(shí)，能耗量最高的環(huán)節(jié)便是分離操作，精餾更是其中消耗量最大的一個(gè)項(xiàng)目，相關(guān)部門發(fā)表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，精餾所產(chǎn)生的能源耗用量達(dá)到了美國能耗總量的3%左右。而在中國，煉油廠所耗用的原油量更是高達(dá)煉油量的約10%，對于煉油廠而言，精餾環(huán)節(jié)正是耗油量最高的項(xiàng)目之一。在進(jìn)行精餾的過程中，為確保最終產(chǎn)出的產(chǎn)品能夠質(zhì)量達(dá)標(biāo)，大部分工作人員的操作都過于保守，同時(shí)，企業(yè)選擇的操作方式以及操作參數(shù)也存在著缺乏合理性的問題，以至于過度分離現(xiàn)象頻繁發(fā)生。在進(jìn)行精餾時(shí)的能量來源，大多數(shù)被冷卻水與分離組分帶走。所以應(yīng)當(dāng)深入探究怎樣在精餾環(huán)節(jié)減少能源耗用量，同時(shí)將其運(yùn)用至實(shí)際的化工產(chǎn)業(yè)之中，這對于石油化工的發(fā)展具有顯著積極作用。

1.精餾塔的優(yōu)化目標(biāo)

在針對精餾塔（圖1）開展控制與優(yōu)化的操作之前，首先應(yīng)明確完成優(yōu)化工作之后，通過精餾所取得的產(chǎn)品是否能擁有良好的品質(zhì)。在確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，方可對精餾塔開展優(yōu)化工作，以此來實(shí)現(xiàn)能源耗用量的減少以及回收率的進(jìn)一步提升，從而在最大程度把成本轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。所以，在針對精餾裝置開展優(yōu)化工作之前，應(yīng)當(dāng)滿足物料與能量平衡、質(zhì)量達(dá)標(biāo)以及各種約束條件。

圖1 精餾塔

(1)物料平衡以及能量平衡

在使用精餾裝置開展生產(chǎn)加工活動時(shí)，工作人員應(yīng)當(dāng)保證進(jìn)料的總量能夠和塔底釜液、塔板蓄液以及塔頂液體的總量相同，同時(shí)其整體的變動趨勢也應(yīng)當(dāng)保持平緩，這有助于確保各項(xiàng)工序的溫度有序開展。與此同時(shí)，上述三種液體的總量也應(yīng)得到有效控制，確保不會超出或低于標(biāo)準(zhǔn)的范疇之外。

(2)質(zhì)量指標(biāo)要求

精餾裝置的質(zhì)量指標(biāo)要求明確指出，通過精餾所取得的產(chǎn)品純度應(yīng)當(dāng)滿足相關(guān)規(guī)范。精餾塔的主要功能在于，實(shí)現(xiàn)不同組分的溶液相分離，以此來取得石油化工生產(chǎn)所需的兩種不同純度的產(chǎn)品。在生產(chǎn)過程中，不管是輕組分還是重組分的產(chǎn)品均需要質(zhì)量達(dá)標(biāo)。因此在針對精餾塔進(jìn)行控制與優(yōu)化的過程中，應(yīng)當(dāng)盡可能遵循上述目標(biāo)來開展優(yōu)化工作。

(3)約束條件

約束條件主要指，化工企業(yè)的操作人員應(yīng)當(dāng)在針對多組分溶液進(jìn)行精餾處理的過程中，盡可能把操作參數(shù)控制在限定的范疇之內(nèi)。當(dāng)前我國針對精餾塔所制定的約束條件，主要包括壓差、液泛、漏液等方面的限制，通過上述幾項(xiàng)約束條件的落實(shí)，能確保精餾塔在實(shí)際使用過程中保持良好的穩(wěn)定性，并在精餾過程中取得滿足企業(yè)生產(chǎn)需求的產(chǎn)品。

2.精餾原理

精餾指的是通過將特定濃度的溶液置入精餾設(shè)備之內(nèi)，從而令其持續(xù)進(jìn)行部分冷凝與汽化，最終在精餾塔的頂部與底部取得預(yù)期產(chǎn)品的一項(xiàng)操作流程。在進(jìn)行精餾活動時(shí)，需要使用的設(shè)備主要包括精餾塔、冷凝器、再沸器、回流罐與回流泵（圖2）。而連續(xù)精餾裝置的運(yùn)作原理是，通過進(jìn)料泵把溶液輸入至精餾塔以內(nèi)，因?yàn)槿芤旱囊后w沸點(diǎn)存在差異性，可依據(jù)沸點(diǎn)的高低將其進(jìn)行分組，其中沸點(diǎn)較低的一組由于容易揮發(fā)的原因，可能會發(fā)生汽化并不斷向上升騰；而沸點(diǎn)較高的一組則由于無法揮發(fā)而逐漸向下流淌，同時(shí)和另一組溶液形成的蒸汽在塔板進(jìn)行接觸。

圖2 精餾活動

在壓力不變的情況下，如果針對一組溶液進(jìn)行不斷的加熱，溫度不會發(fā)生變動，然而若是在混合溶液沸騰之后進(jìn)行加熱，那么溶液的溫度便會出現(xiàn)顯著變動。在壓力不變的情況下，溶液的組分狀況和氣相平衡之間存在著極為緊密的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)組分的濃度和沸點(diǎn)之間也存在著正相關(guān)性，若沸點(diǎn)提升則濃度也會取得相應(yīng)的增長，平衡穩(wěn)定也將隨之提升，和一些純物質(zhì)不同，混合溶液的液相和氣相都處于在平衡條件下的溫度存在差異。在一組沸點(diǎn)較高的溶液進(jìn)入釜液泵之后，便會轉(zhuǎn)變?yōu)樗桩a(chǎn)品，同時(shí)沸點(diǎn)相對較低的液體便會轉(zhuǎn)變?yōu)樗敭a(chǎn)品，通過上述兩項(xiàng)操作的結(jié)合，便能把混合溶液中存在的液體進(jìn)行有效的分離，以此來取得兩種不同的產(chǎn)品。

通過精餾的手段，能對混合液體進(jìn)行處理，依據(jù)其沸點(diǎn)的高低，依靠精餾裝置實(shí)現(xiàn)汽化與冷凝，并通過這兩種手段將其區(qū)分。與此同時(shí)，溶液在發(fā)生冷凝與汽化反應(yīng)時(shí)，分別會放出與吸收周邊環(huán)境中存在的熱量，所以精餾裝置應(yīng)當(dāng)分別設(shè)置再沸器與冷凝器等設(shè)施，來為其進(jìn)行輔助，以此來確保精餾裝置能夠完整運(yùn)行，最終在精餾塔的頂部與底部取得預(yù)期的產(chǎn)品。

3.精餾塔的控制與節(jié)能優(yōu)化研究

(1)精餾塔的控制研究

精餾的過程機(jī)理與動態(tài)變化均具有較高的復(fù)雜性，在進(jìn)行精餾的過程中，操作人員必須針對許多變量進(jìn)行控制，同時(shí)與這些變量相關(guān)的各種約束條件也極為復(fù)雜，均屬于精餾塔控制過程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并且長期以來均成為主要研究目標(biāo)。在過去幾年時(shí)間里，許多學(xué)者都開始重視精餾塔控制方面的研究，發(fā)表大量的文獻(xiàn)資料，以此來對精餾塔控制系統(tǒng)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中設(shè)計(jì)的范圍涵蓋線性多變量與預(yù)測控制等不同方面，同時(shí)學(xué)者們還在嘗試依靠精餾塔的非線性本質(zhì)來使用非線性控制技術(shù)。在開展精餾塔控制方面的研究時(shí)，預(yù)測技術(shù)成為學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，對于精餾裝置的優(yōu)化能發(fā)揮極為重要的作用。同時(shí)在開展精餾塔控制研究的過程中，還需更加關(guān)注智能化研究，并在此過程中把增益預(yù)測的手段運(yùn)用至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中。當(dāng)前我國學(xué)者們針對精餾塔的控制研究可以區(qū)分為以下兩類：首先是針對控制系統(tǒng)開展結(jié)構(gòu)分析，其次是針對精餾塔組分開展控制。因?yàn)楫?dāng)前我國大部分企業(yè)使用的組分檢測裝置存在著技術(shù)水平不達(dá)標(biāo)的問題，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過程中的在線控制需要，所以大部分學(xué)者都致力于進(jìn)行推力控制的研究。然而，在實(shí)際開展研究時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，精餾的各個(gè)環(huán)節(jié)之間均存在著密切的關(guān)聯(lián)性，如果采取傳統(tǒng)的最小二乘法開展研究，便無法取得理想的研究成果。我國研究大部分集中于針對試驗(yàn)設(shè)備的改良與理論的推導(dǎo)兩個(gè)方面，極少數(shù)學(xué)者關(guān)注工業(yè)應(yīng)用。與此同時(shí)，世界經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展，使得我國居民對于生活質(zhì)量的需求逐漸提升，這也導(dǎo)致我國化工企業(yè)對于精餾產(chǎn)品的純度需求發(fā)生相應(yīng)增長。所以，迫切需要針對精餾塔控制策略開展進(jìn)一步的研究，從而能滿足我國在化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的實(shí)際需求。

(2)精餾塔的節(jié)能優(yōu)化研究

在針對精餾裝置的節(jié)能優(yōu)化手段開展探究的過程中，我國學(xué)者采取各種各樣的手段，其目的在于減少精餾裝置的能源耗用量，確保經(jīng)濟(jì)效益最大化。在進(jìn)行精餾裝置節(jié)能優(yōu)化的過程中，常用手段包括以下幾點(diǎn)：

首先，采取更加先進(jìn)且高效能的填料方式，取代傳統(tǒng)的填料方式，以此來進(jìn)一步提升所填料體利用效率的有效增長；其次，持續(xù)提升精餾塔中的冷凝器與再沸器的性能，同時(shí)依據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求增加兩種設(shè)備的數(shù)量，以此來進(jìn)一步提升混合溶液冷凝與升華的效率；再次，優(yōu)化精餾塔的進(jìn)料狀態(tài)與位置，以此來實(shí)現(xiàn)減少能源耗用量的目標(biāo)；最后，需要針對傳統(tǒng)的精餾流程進(jìn)行優(yōu)化，并減少回流比。上述幾種手段大部分是針對精餾的工藝流程（圖3）進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)在于針對當(dāng)前我國使用的各種化工生產(chǎn)裝置進(jìn)行優(yōu)化改造，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的進(jìn)一步優(yōu)化，而只有極少數(shù)的學(xué)者選擇以實(shí)際操作參數(shù)作為研究的切入點(diǎn)，因而當(dāng)前我國針對精餾塔節(jié)能優(yōu)化的研究依然無法取得良好的成果。

圖3 精餾工藝流程

雖然當(dāng)前已經(jīng)有許多學(xué)者，嘗試通過對精餾塔操作參數(shù)進(jìn)行探究的方式來實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化的目標(biāo)，然而其中大部分研究的主要方向均為離線優(yōu)化，同時(shí)許多學(xué)者在開展優(yōu)化研究的過程中并未考慮到足夠多的變量，因此無法在這一方面取得突破性的研究成果，無法針對精餾裝置實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能優(yōu)化。與此同時(shí)，在開展精餾裝置節(jié)能優(yōu)化（圖4）研究的過程中，大多數(shù)學(xué)者采用的優(yōu)化方式均需要使用與之對應(yīng)的機(jī)理建模，然而裝置建模的過程本身便具有一定的復(fù)雜性，必須消耗大量的時(shí)間。在完成建模之后，最終取得的模型也存在著非線性的特性，這也進(jìn)一步提升精餾裝置優(yōu)化計(jì)算的難度。

圖4 精餾裝置節(jié)能優(yōu)化

4.結(jié)束語

總而言之，在我國學(xué)者們針對精餾裝置開展控制與節(jié)能優(yōu)化的過程中，只有極少數(shù)的方法能夠被運(yùn)用至實(shí)際的石油化工生產(chǎn)過程中。之所以會出現(xiàn)這一問題，主要原因在于精餾裝置的理論與實(shí)踐之間的結(jié)合存在著諸多問題，無法得到切實(shí)有效的解決，這些問題的內(nèi)容包括：控制量和被控制量之間存在著約束問題；執(zhí)行器失靈之后應(yīng)當(dāng)采用怎樣的優(yōu)化措施；裝置建模取得的成果具有較強(qiáng)的不確定性與復(fù)雜性；精餾塔控制算法的可靠性不足等。所以，我們應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上針對精餾塔的控制與節(jié)能優(yōu)化開展更加深入地探究，以此來尋找出更多能被運(yùn)用至實(shí)際操作過程中的節(jié)能優(yōu)化手段，確保精餾裝置能夠得到持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。對此，還應(yīng)當(dāng)針對精餾塔的機(jī)理開展更深入地探究，并依據(jù)精餾裝置在實(shí)際應(yīng)用過程中具有的特性開展針對性設(shè)計(jì)，確保精餾裝置能夠發(fā)揮良好的節(jié)能效益，最終實(shí)現(xiàn)減少能源耗用量以及提高回收效率的發(fā)展目標(biāo)。