微正壓精餾塔壓力控制方法的研究

尹　琨，蔣建蘭，白　鵬，黃麗麗，于　洋，楊　潔

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

塔壓是精餾塔控制中重要的被控變量[1-2]，當(dāng)原料需要隔絕空氣或者原料有其它特殊要求時(shí)[3]，往往對(duì)精餾塔進(jìn)行微正壓(一般認(rèn)為低于0.01 MPa)[4]操作以滿足相關(guān)要求。目前精餾塔的壓力控制主要有精餾塔壓力熱旁路控制[5]、精餾塔浮壓控制等控制方法。由于這些精餾塔的壓力控制往往是通過改變冷卻劑的流量[6-8]或者是改變換熱面積等通過改變冷凝器參數(shù)進(jìn)行控制，具有一定的滯后性[4]。

對(duì)此，本研究提出一種針對(duì)微正壓操作的氮?dú)獬鋲嚎刂品椒╗9-10]，通過試驗(yàn)考察了該控制方法的可行性；并進(jìn)行該方法下的微正壓精餾試驗(yàn)，表明該方法調(diào)節(jié)靈敏、穩(wěn)定。

1　微正壓操作的壓力控制原理

本研究涉及的微正壓控制方法通過直接控制精餾塔塔頂壓力以實(shí)現(xiàn)精餾塔壓力穩(wěn)定的目標(biāo)[11-12]。氮?dú)獬鋲合到y(tǒng)主要由恒壓罐、正壓罐和負(fù)壓罐構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　微正壓操作的氮?dú)獬鋲悍刂圃鞦ig.1　Micro-positive pressure control principle in nitrogen charging system

恒壓罐與精餾塔相連，因此精餾塔的壓力與恒壓罐壓力保持一致。精餾塔壓力穩(wěn)定時(shí)，恒壓罐與正壓罐、負(fù)壓罐的閥門處于閉合狀態(tài)。當(dāng)精餾塔的壓力出現(xiàn)波動(dòng)，通過正壓罐、負(fù)壓罐對(duì)其進(jìn)行壓力的補(bǔ)償調(diào)節(jié)。正壓罐與負(fù)壓罐不僅起到一個(gè)調(diào)節(jié)作用，同時(shí)起到一個(gè)緩沖作用，避免了恒壓罐與氮?dú)饧訅貉b置及真空機(jī)組直接相連而造成的壓力調(diào)節(jié)偏差過大的問題。

2　微正壓系統(tǒng)的控制驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1　試驗(yàn)概述

建立了如圖2所示的試驗(yàn)裝置，考察該控制系統(tǒng)正(負(fù))壓罐的預(yù)設(shè)壓力與恒壓罐壓力波動(dòng)偏差直接的關(guān)系以及控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。定義恒壓罐壓力偏差：[恒壓罐由正(負(fù))壓罐調(diào)節(jié)造成的最大(小)表壓-恒壓罐預(yù)設(shè)表壓]/恒壓罐預(yù)設(shè)表壓；正(負(fù))壓罐系數(shù):[正(負(fù))壓罐預(yù)設(shè)表壓-恒壓罐預(yù)設(shè)表壓]/恒壓罐預(yù)設(shè)表壓。

試驗(yàn)步驟如下：對(duì)整個(gè)裝置抽真空，充入氮?dú)獠⒄{(diào)節(jié)恒壓罐、正壓罐及負(fù)壓罐使其達(dá)到相應(yīng)的預(yù)設(shè)表壓。對(duì)恒壓罐制造一個(gè)正(負(fù))壓力波動(dòng)，觀察記錄調(diào)節(jié)過程中恒壓罐由正(負(fù))壓罐調(diào)節(jié)造成的最大(小)表壓及回到預(yù)設(shè)值的響應(yīng)時(shí)間。

圖2　微正壓控制系統(tǒng)的裝置示意圖Fig.2　Flow chart for micro-positive pressure control system

2.2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3和圖4分別為正壓罐、負(fù)壓罐系數(shù)與恒壓罐偏差關(guān)系的示意圖。其中橫坐標(biāo)為正(負(fù))壓罐系數(shù)，縱坐標(biāo)為恒壓罐壓力偏差；點(diǎn)為不同預(yù)設(shè)表壓下恒壓罐的正(負(fù))壓罐系數(shù)與恒壓罐壓力偏差關(guān)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其連接的直線為其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的變化趨勢(shì)。

圖3　正壓罐系數(shù)與恒壓罐壓力偏差關(guān)系示意圖Fig.3　Pressure deviation of constant pressure part versus positive pressure coefficient

由圖3和圖4可知，在不同預(yù)設(shè)表壓情況下，恒壓罐壓力偏差與正(負(fù))壓罐系數(shù)存在類似的變化趨勢(shì)。當(dāng)正(負(fù))壓罐系數(shù)在1.00左右恒壓罐壓力偏差小于20%；當(dāng)正(負(fù))壓罐系數(shù)在0.75左右恒壓罐壓力偏差小于10%；當(dāng)正(負(fù))壓罐系數(shù)在0.35左右恒壓罐壓力偏差小于5%。為了保持恒壓罐壓力的穩(wěn)定，應(yīng)該使正(負(fù))壓罐系數(shù)保持在較小

圖4　負(fù)壓罐系數(shù)與恒壓罐壓力偏差關(guān)系示意圖Fig.4　Pressure deviation of constant pressure part versus negative pressure coefficient

的范圍，正(負(fù))壓罐系數(shù)越小，其對(duì)應(yīng)的恒壓罐壓力偏差越小，但其相應(yīng)的調(diào)節(jié)范圍也變小。在實(shí)際操作中，應(yīng)該根據(jù)塔頂?shù)谋韷杭捌湓试S的力波動(dòng)范圍，選擇合適的正(負(fù))壓罐系數(shù)。

表1和表2為不同正壓罐及負(fù)壓罐系數(shù)下對(duì)應(yīng)的恒壓罐響應(yīng)時(shí)間。

表1不同正壓罐系數(shù)下恒壓罐的響應(yīng)時(shí)間(s)
Table1Responsetimeofconstantpressuretankunderdifferentpositivepressurecoefficients(s)

恒壓罐預(yù)設(shè)表壓/Pa正壓罐系數(shù)03005010015020001231040890663000128114078057400012510908806050001191120840596000122113082061

表2　不同負(fù)壓罐系數(shù)下恒壓罐的響應(yīng)時(shí)間(s)Table 2　Response time of constant pressure tank underdifferent negative pressure coefficient (s)

注：該響應(yīng)時(shí)間下的擾動(dòng)壓力值為恒壓罐預(yù)設(shè)表壓值的1/2。

從表1和表2中可以看出，在文中所涉及的控制系統(tǒng)中恒壓罐壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)可以使恒壓罐在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)正(負(fù))壓罐系數(shù)增加時(shí)其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間較少，但由于其響應(yīng)時(shí)間的減少隨正(負(fù))壓罐系數(shù)增加并不明顯同時(shí)過大的正(負(fù))壓罐系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)壓力波動(dòng)過大。因此為了減少壓力波動(dòng)使裝置運(yùn)行平穩(wěn)，正(負(fù))壓罐系不應(yīng)過大。

3　微正壓系統(tǒng)的控制應(yīng)用試驗(yàn)

建立如圖5所示試驗(yàn)裝置，考察在該微正壓系統(tǒng)控制下精餾塔塔頂壓力變化情況，驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性及運(yùn)行效果。微正壓控制系統(tǒng)與精餾塔相連設(shè)定恒壓罐的預(yù)設(shè)壓力，記錄甲醇-水物系精餾分離過程中塔頂壓力波動(dòng)情況。

圖5　微正壓控制系統(tǒng)下的間歇精餾試驗(yàn)裝置圖Fig.5　Batch distillation apparatus under micro-positive control system

圖6為在不同恒壓罐預(yù)設(shè)壓力下的精餾塔塔頂壓力隨時(shí)間的變化情況。

圖6　精餾塔塔頂壓力隨時(shí)間變化圖Fig.6　Top pressure changing tendency vs.time

從圖6中可以看出在整個(gè)精餾操作過程中精餾塔塔頂壓力基本保持穩(wěn)定。當(dāng)塔頂壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)也可以通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)使之在短時(shí)間內(nèi)回到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)調(diào)節(jié)的壓力偏差較小。說明該系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈敏且調(diào)節(jié)引起的偏差較小，可以應(yīng)用于一些特殊物系精餾分離過程中的微正壓控制。

4　結(jié)論

1) 本研究所提出的精餾塔微正壓控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精餾塔的壓力穩(wěn)定及壓力波動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)控制。

2) 不同的恒壓罐預(yù)設(shè)正壓條件下，正(負(fù))壓罐系數(shù)與恒壓罐的壓力偏差之間存在類似的規(guī)律。即當(dāng)正(負(fù))壓罐系數(shù)在1.00左右，恒壓罐壓力偏差小于20%；當(dāng)正(負(fù))壓罐系數(shù)在0.75左右，恒壓罐壓力偏差小于10%；當(dāng)正(負(fù))壓罐系數(shù)在0.35左右恒壓罐壓力偏差小于5%。

3) 在該系統(tǒng)調(diào)節(jié)下恒壓罐在壓力波動(dòng)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)表壓所需的響應(yīng)時(shí)間較短，正(負(fù))壓罐系數(shù)對(duì)其影響不明顯。

4) 利用該微正壓控制系統(tǒng)對(duì)甲醇-水物系進(jìn)行精餾分離。說明該系統(tǒng)可以應(yīng)用于精餾分離過程，

并能保證塔頂?shù)膲毫Ψ€(wěn)定。

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