淺談精餾塔的工藝控制方案設(shè)計(jì)

李克景

（中國(guó)寰球工程公司華北規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北涿州 072754）

淺談精餾塔的工藝控制方案設(shè)計(jì)

李克景

（中國(guó)寰球工程公司華北規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北涿州 072754）

壓力和溫度是精餾塔控制中比較重要的兩個(gè)被控變量，首先對(duì)精餾塔的各種壓力控制方案進(jìn)行了介紹，并說(shuō)明了它們的適用場(chǎng)合，接著介紹了精餾塔的溫度控制方案。在上述基礎(chǔ)上，給出了精餾塔的幾個(gè)基本控制方案，并對(duì)原油常壓蒸餾塔的工藝控制方案進(jìn)行了分析。

精餾塔；工藝控制；方案

精餾過(guò)程是在石油化工和煉油生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用的一種傳質(zhì)過(guò)程，精餾塔是精餾過(guò)程中最重要的設(shè)備，它是一個(gè)極其復(fù)雜的對(duì)象。精餾塔分離性能的優(yōu)劣直接決定著產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和裝置能耗的高低。

由于分離過(guò)程的工藝要求、操作條件和分離物系特性的不同，精餾的具體過(guò)程千差萬(wàn)別，特別是煉油裝置中的分離塔和化工裝置中的分離塔有著更為顯著的差異，其中，煉油中的常壓蒸餾塔所分離出的側(cè)線產(chǎn)品都是具有一定餾程的混和物，因此對(duì)產(chǎn)品純度沒(méi)有嚴(yán)格要求；而化工裝置中的精餾塔產(chǎn)品大多要求達(dá)到聚合級(jí)，如：乙烯塔、丙烯塔、乙二醇精制塔等。因此，不同工藝過(guò)程中的精餾塔需要采用不同的工藝控制方案。此外，精餾塔具有多輸入、多輸出和多干擾變量，且具有極其復(fù)雜的內(nèi)在機(jī)理，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)不靈敏，各變量之間存在相互關(guān)聯(lián)[1]，所以，要實(shí)現(xiàn)對(duì)精餾塔的精確、平穩(wěn)、高效和安全控制是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作。適宜的精餾塔工藝控制方案能夠優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和降低能耗，所以，精餾塔工藝控制方案的設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)極其重要的工作。因此，有必要結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)淺談一下精餾塔的工藝控制方案設(shè)計(jì)。

1 壓力控制

大多數(shù)精餾塔的控制系統(tǒng)都是以恒定的塔操作壓力為前提的，塔壓波動(dòng)會(huì)改變氣相負(fù)荷和溫度分布，從而使控制難度增加，并降低分離性能。在以溫度控制作為間接質(zhì)量指標(biāo)的控制中，壓力保持恒定是至關(guān)重要的，有時(shí)需要壓力補(bǔ)償，而有效的壓力控制能夠使溫度控制對(duì)壓力補(bǔ)償?shù)男枨蠼档阶钚。瑫r(shí)，能優(yōu)化操作達(dá)到最大產(chǎn)能。壓力控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是：以進(jìn)、出塔的質(zhì)量流量或熱流量為操縱變量，即通過(guò)調(diào)節(jié)物料或能量平衡，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塔的壓力控制。質(zhì)量流量法是控制塔頂氣體的蓄積量；而熱流量法則是調(diào)節(jié)塔頂冷凝器的熱通量。塔的壓力控制方案有很多種，現(xiàn)針對(duì)不同的工藝情況進(jìn)行分別介紹。

1.1 常壓或微正壓塔

常壓塔穩(wěn)定性無(wú)嚴(yán)格要求和空氣對(duì)分離物料無(wú)影響時(shí)，則不需對(duì)其進(jìn)行壓力控制，只需在回流罐上設(shè)置一通大氣的放氣口即可。另外，對(duì)于存在不凝氣的微正壓塔來(lái)說(shuō)，也可只設(shè)置罐氣相出口調(diào)節(jié)閥。否則，常壓塔和不存在不凝氣的微正壓塔則應(yīng)采用如下的壓力控制方案[2]，引入惰性氣體，采用分程控制實(shí)現(xiàn)對(duì)塔壓的控制，（見(jiàn)圖1）；此外，當(dāng)冷凝液體中含有一定量的雜質(zhì)（可溶性氣體）時(shí)，宜采用的控制方案（見(jiàn)圖2）。

圖1 壓力控制方案

圖2 壓力控制方案

1.2 加壓塔

1.2.1 存在不凝氣時(shí) 在此種情況下，不需要引入不凝氣，通過(guò)控制不凝氣的排放量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)塔壓的控制，（見(jiàn)圖3）。

圖3 壓力控制方案

1.2.2 無(wú)不凝氣時(shí) 此工藝情況下，有多種壓力控制方案可供選擇，（見(jiàn)圖 4a、b、c和 d）。其中，圖 4a的控制方案稱為“熱氣體旁路控制”，其具有如下優(yōu)點(diǎn)：控制回路動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，回流罐位于高處可為回流泵提供較高的NPSH，冷凝器可地面安裝，方便檢修和清洗，調(diào)節(jié)閥位于管線尺寸較小的熱旁路上，其尺寸可顯著降低，該壓力控制方案已在煉油和石油化工裝置中得到了廣泛應(yīng)用；當(dāng)冷凝器為空冷器時(shí)，由于回流罐不能位于空冷器之上，將采用如圖4b所示的控制方式，此方案中調(diào)節(jié)閥設(shè)置在空冷器的下游要比上游經(jīng)濟(jì)，此外，控制旁路壓差是為了保持一定的回流罐壓力；圖4c控制方案中，冷凝器設(shè)置在回流罐的上方，通過(guò)位于凝液管線上的調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)換熱器中凝液（過(guò)冷區(qū)，即凝液滯留區(qū)）的換熱面積，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)塔壓的控制；此外，圖4d壓力控制是冷凝速率調(diào)節(jié)控制，是通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該控制具有嚴(yán)重的非線性和較遲緩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此它是不被推薦使用的。除上述控制之外，對(duì)于汽提塔的壓力控制，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)再沸器的加熱速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 壓力控制方案

1.3 真空塔

對(duì)于真空塔的壓力控制有兩種方式：一是調(diào)節(jié)抽真空設(shè)備的負(fù)荷，（見(jiàn)圖5a、b）；二是引入惰性氣體或空氣，（見(jiàn)圖5c）。但對(duì)于采用三級(jí)噴射器的高度真空蒸餾塔來(lái)說(shuō)，是不需要壓力控制的，如常減壓蒸餾裝置中的減壓塔。

2 溫度控制

圖5 壓力控制方案

精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)有直接指標(biāo)和間接指標(biāo)兩種。直接質(zhì)量指標(biāo)控制就是對(duì)產(chǎn)品成份的分析控制，但由于產(chǎn)品成份分析儀具有價(jià)格高、難維修和動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩等缺點(diǎn)，故其在工業(yè)上應(yīng)用較少。間接質(zhì)量指標(biāo)控制則是對(duì)溫度的控制，溫度控制具有成本低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，從而使其在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)溫度控制質(zhì)量指標(biāo)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是：當(dāng)塔壓保持恒定時(shí)，溫度與產(chǎn)品組成之間存在著非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在普通精餾中，對(duì)產(chǎn)品純度的要求不高，壓力微小波動(dòng)給溫度控制帶來(lái)的誤差可忽略不計(jì)。但在精密精餾（如：苯-甲苯-二甲苯、乙烯-乙烷、丙烯-丙烷精餾等）中[4]，對(duì)產(chǎn)品純度的要求很高，由于組份間的相對(duì)揮發(fā)度非常小，因此壓力波動(dòng)導(dǎo)致的溫度變化要比成份改變引起的溫度變化大得多，故即使壓力的微小波動(dòng)也會(huì)使精密精餾的溫度控制失效。為了克服壓力波動(dòng)的干擾，需采用具有壓力補(bǔ)償功能的溫度控制，即溫差控制。

在溫度控制設(shè)計(jì)中，從理論上講，塔頂溫度能夠最精確的反映塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量，相應(yīng)地塔底溫度也能最精確的反映塔底產(chǎn)品的質(zhì)量。精餾塔的塔頂和塔底溫度控制分別（見(jiàn)圖6、圖7）。但此種溫度控制方案很少被采用，僅可用在產(chǎn)品的粗分離中。這是因?yàn)椋核敾蛩赘浇母魉迳袭a(chǎn)品成分比較接近，即溫度變化不明顯，需要配備高靈敏度和高控制精度的溫度檢測(cè)儀表，現(xiàn)實(shí)中很難達(dá)到這一要求。采用靈敏板溫度控制產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，可以有效解決上述問(wèn)題，目前被廣泛采用的精餾段和提餾段靈敏板溫度控制方案（見(jiàn)圖8、圖9）。靈敏板位置可通過(guò)逐板計(jì)算或化工模擬軟件（如：Proii、Aspen 等）模擬得出[1,3]，因無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)實(shí)際塔板效率，另外，塔板效率也會(huì)隨著工況的變化而變化，因此，在工業(yè)應(yīng)用時(shí)，宜在所計(jì)算靈敏板位置的上下預(yù)設(shè)若干測(cè)溫點(diǎn)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際來(lái)選擇靈敏板測(cè)溫點(diǎn)。

圖6 塔頂溫度控制

圖7 塔底溫度控制

圖8 精餾段靈敏板溫度控制

圖9 提餾段靈敏板溫度控制

溫差控制設(shè)計(jì)中，兩溫度檢測(cè)點(diǎn)的選取至關(guān)重要。其中一溫度應(yīng)選取靈敏板溫度，另一溫度作為參比點(diǎn)溫度，則應(yīng)選取產(chǎn)品組成基本保持不變的塔頂或塔底溫度。由于參比點(diǎn)溫度只受壓力變化的影響而基本不受產(chǎn)品成份改變的影響，而另一靈敏板溫度檢測(cè)點(diǎn)既受壓力變化的影響又受產(chǎn)品成份改變的影響，且壓力變化對(duì)二者溫度的影響幾乎是相同的，所以溫差控制本質(zhì)上則是具有壓力補(bǔ)償?shù)撵`敏板溫度控制。精餾段溫差控制方案（見(jiàn)圖10）。

圖10 精餾段溫差控制

3 精餾塔的基本控制

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量控制

在采用質(zhì)量控制方案時(shí)，將回流量、餾出量、蒸汽量和釜液量四個(gè)參數(shù)之一作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的手段，另一參數(shù)保持恒定，其余兩參數(shù)則通過(guò)液位進(jìn)行控制。依據(jù)主要產(chǎn)品采出位置的不同有兩種控制方案，即精餾段控制方案和提餾段控制方案。精餾段控制方案依據(jù)調(diào)節(jié)餾出量或回流量又分為兩種，其中，調(diào)節(jié)餾出量的精餾段控制方案見(jiàn)（見(jiàn)圖11），該方案的優(yōu)點(diǎn)是：利于平穩(wěn)操作，回流比較大時(shí)比控制回流量的方案要靈敏，此外，在餾出產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)時(shí)，采用具有積分功能的控制器，可中斷塔頂餾出量進(jìn)行全回流來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量。溫度-流量的串級(jí)控制能迅速克服進(jìn)入副回路的干擾對(duì)系統(tǒng)的不利，可改進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。提餾段控制方案依據(jù)調(diào)節(jié)加熱蒸汽量或釜液量也分為兩種，其中，調(diào)節(jié)加熱蒸汽量的提餾段控制方案（見(jiàn)圖12），該方案采用蒸汽量作為操縱變量，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)比調(diào)節(jié)回流量迅速，利于克服提餾段的干擾和確保塔底產(chǎn)品的質(zhì)量，目前此方案在精餾塔的控制中得到了廣泛應(yīng)用，由于塔頂回流量采用了定值控制，在設(shè)計(jì)中要確保回流量能滿足最大負(fù)荷下的產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖12 提餾段產(chǎn)品質(zhì)量控制

3.2 物料平衡控制

物料平衡控制無(wú)質(zhì)量反饋控制，僅從外圍控制D/F（或B/F）和V/F，使產(chǎn)品滿足工藝要求，保證塔的平穩(wěn)操作。其適用的工藝場(chǎng)合：（1）對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有嚴(yán)格要求；（2）進(jìn)料流量和進(jìn)料性質(zhì)變化不顯著、不頻繁。

精餾塔在分離沸點(diǎn)接近的組份時(shí)，需要大量的塔板（超過(guò)100塊）和較大的回流比（大于10）。在此種情況下，塔頂產(chǎn)品的組成和流量主要受回流比波動(dòng)的影響。例如，當(dāng)回流比為10時(shí)，回流量增加或減少1%，將導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品流量增加或減少10%。因此，在回流率較大的情況下，必須將塔頂產(chǎn)品流量作為操縱變量，此時(shí)，可采用如下的物料平衡控制方案，（見(jiàn)圖13）。此外，當(dāng)塔底釜液產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塔頂餾出產(chǎn)品時(shí)，宜選用的物料平衡控制方案（見(jiàn)圖14），其具有很好的控制靈敏度。

圖13 物料平衡控制

圖14 物料平衡控制

4 原油常壓蒸餾塔的工藝控制

原油常壓塔工藝控制采用的是精餾段控制方案，通過(guò)改變塔頂回流量來(lái)控制塔頂溫度，從而實(shí)現(xiàn)間接控制產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的目的。塔頂采用溫度-回流流量的串級(jí)控制，塔頂溫度作為主變量，回流流量作為副變量，當(dāng)塔頂回流量波動(dòng)較大時(shí)，副控制回路能夠提前對(duì)其波動(dòng)范圍進(jìn)行控制，從而減小波動(dòng)對(duì)溫度控制的不利影響；常壓塔釜液位和釜液流量構(gòu)成串級(jí)均勻控制回路，塔釜液位作為主變量，控制液位過(guò)高或過(guò)低，同時(shí)使蒸汽與塔釜的儲(chǔ)油充分接觸并確保一定的停留時(shí)間，以利于輕餾分的帶出，塔釜流量作為副變量，可減輕流量波動(dòng)對(duì)液位控制的不利影響，有利于實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制；同時(shí)，對(duì)過(guò)熱蒸汽采用定值控制以穩(wěn)定汽提作用。常壓塔頂?shù)膲毫刂剖峭ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)分液罐中不凝氣的排出量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

5 結(jié)論

精餾塔具有多輸入、多輸出和多干擾變量，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，再加上工藝過(guò)程的復(fù)雜性，所以精餾塔工藝控制方案的設(shè)計(jì)是項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作。因此，要在充分分析工藝機(jī)理的基礎(chǔ)上，應(yīng)針對(duì)不同的工藝過(guò)程、工藝物系性質(zhì)、操作條件和產(chǎn)品要求，相應(yīng)地來(lái)設(shè)計(jì)適宜的精餾塔工藝控制方案。

［1］ 劉興高.精餾過(guò)程的建模、優(yōu)化與控制［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］ 尹琨，等.微正壓精餾塔壓力控制方法的研究［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2012，29（2）：70-73.

［3］ 劉成軍，等.精餾控制系統(tǒng)中靈敏板的求取［J］.石油與天然氣化工，1997，26（3）：179-181.

［4］SHNSKEY FG.Distillation Control［M］.New York:McGraw-Hill，1984.

Brief discussion on process control schemes design for distillation column

LIKejing
（Huabei Institute of HQ Contracting&Engineering Corp.，Zhuozhou Hebei072754，China）

The pressure and temperature are two important variables controlled in distillation column control,firstly,all kinds of pressure control schemes for distillation column are introduced respectively,including the situations applied,and then introduces the temperature control schemes for distillation column.Based on the above mentioned,the basic control schemes for distillation column are indicated,finally process control scheme for the crude oil atmospheric distillation is analyzed.

distillation column；process control；schemes

10.3969/j.issn.1673-5285.2013.03.031

TE962

A

1673-5285（2013）03-0119-06

2013－02-19

李克景，男（1978-），山東菏澤人，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷，注冊(cè)化工工程師，現(xiàn)從事石油化工設(shè)計(jì)工作，已發(fā)表論文數(shù)篇，郵箱：likejing@hqcec.com。