論精餾塔的操作與自動調節(jié)

呂江平，王雪峰，盧卓

（1.蘭州石化職業(yè)技術學院應用化學工程系，甘肅蘭州730060；2.中國石油蘭州石化公司300萬t／a重油催化裂化裝置，甘肅蘭州730060）

論精餾塔的操作與自動調節(jié)

呂江平1，王雪峰2，盧卓2

（1.蘭州石化職業(yè)技術學院應用化學工程系，甘肅蘭州730060；2.中國石油蘭州石化公司300萬t／a重油催化裂化裝置，甘肅蘭州730060）

本文以二元精餾為例，簡要地介紹了精餾塔穩(wěn)定操作的條件，精餾過程條件波動時，工藝參數調節(jié)的基本思路和手段。同時，討論了精餾塔人工調節(jié)與自動調節(jié)的關系，還對自動調節(jié)的復雜控制和高級控制做了簡單的說明和展望。

精餾塔操作；自動調節(jié)；調節(jié)思路；能量平衡調節(jié)；溫差控制；產品檢測

1　引言

液體均具有揮發(fā)成為蒸汽能力，但各種液體的揮發(fā)性各不相同，因此，液體混合物部分氣化所生成的氣相組成與液相組成將有差異，這是蒸餾操作的基礎［1］。通過一次部分氣化或一次部分冷凝，輕、重組分便可分別在氣、液相中得到增濃，倘若對二元混合物進行多次部分氣化和多次部分冷凝，輕、重組分就可得到比較完全的分離。

多級蒸餾獲得高純組分最初采用多釜蒸餾的方式，需要多個分離器、加熱器和冷凝器，不斷進行氣化-冷凝-分離來完成。操作時，壓力保持恒定，氣、液傳質在體系內部完成，只要時間足夠長便可達到相際平衡，操作較簡單，但是中間產物多，最終的高純度產品少，設備種類及數量多而雜，經濟上不合算。采用精餾塔操作，氣、液兩相被限定在同一設備內，二者通過逆向回流多次充分接觸，始終保持濃度差和溫度差，能夠達到高純多產的目的，但是氣、液相回流使兩相間的傳質干擾因素增多，而且回流的氣液流量、組成及焓值不易準確確定，因此操作難度顯著增加。本文以二元精餾為例，從精餾塔穩(wěn)定操作的必要條件，精餾塔調節(jié)的基本思路，自動調節(jié)的缺陷、發(fā)展趨勢，自動調節(jié)與人工調節(jié)的關系等方面進行了闡述。

2　精餾塔的穩(wěn)定操作

精餾塔的操作就是設法克服各種干擾因素，防止對塔頂、塔底產品組成和數量的影響。精餾塔操作的基本要求是在連續(xù)定態(tài)和最經濟的條件下處理更多的原料液，達到預定的分離要求（規(guī)定的xD和xW）或組分的回收率。一般來說，操作越平穩(wěn)，能耗越少。而穩(wěn)定生產須做到系統既無物質累積，又無熱量累積，據此，精餾塔正常操作須處理好塔的物料平衡和熱量平衡。物料平衡指塔的進料量與產品的抽出量相等。物料平衡的變化，具體反映在塔頂、塔底貯罐液面上。熱量平衡指進塔熱量和出塔熱量相等，具體反映在塔內壓力和溫度上。

3　精餾塔的調節(jié)

3.1相關概念

要做到平穩(wěn)操作，生產過程必須在規(guī)定的溫度、壓力、濃度等工藝參數條件下進行，但由于種種原因，這些參數總會發(fā)生一些變化，與工藝參數規(guī)定值發(fā)生偏離。為了保持參數穩(wěn)定，就必須對工藝過程施加一個作用以消除這種偏差而使參數回到規(guī)定值上，這樣的控制過程叫作生產過程的調節(jié)。如果由人工來完成，稱為人工調節(jié)。如果由儀表及必要的裝置代替人工來完成調節(jié)過程而使人脫離直接操作的崗位，就稱為自動調節(jié)。自動調節(jié)能夠代替人的體力勞動，改善勞動環(huán)境，提高生產效益，因而在化工生產過程廣泛應用。

精餾塔調節(jié)的基本目標是確保精餾塔按設計條件操作，補償設計偏差，盡量做到：使產品質量符合要求；使塔的操作穩(wěn)定；使塔的生產能力高；能量消耗少，經濟效益高。具體來說，就是控制塔頂和塔底組成（xD、xW）使產品質量符合規(guī)定，控制塔頂貯罐液位、塔底液位、壓力恒定，保持精餾塔平穩(wěn)操作，即精餾塔要控制：塔頂產品濃度、塔底產品濃度、塔內壓力、貯罐液位和塔底液位等五個被控變量。精餾裝置是一個多輸入、多輸出的系統，干擾因素多，如進料流量、進料組成、進料熱狀況、冷劑溫度、熱劑溫度、環(huán)境溫度、大氣壓力等。精餾塔被控變量的影響因素多，調節(jié)手段也多，一般靠塔頂餾出液流量D、塔底產品流量W、回流量L、冷卻劑流量和加熱劑流量（可簡化為D、W、L、V）來調節(jié)，將它們稱為操縱變量。

3.2基本調節(jié)思路

當產品質量偏離指標時，通常采用以下兩類辦法達到自動調節(jié)的目的。

3.2.1D和W對產品純度的影響

利用D、W調節(jié)塔頂、塔底產品純度xD、xW稱為直接物料平衡調節(jié)或質量平衡調節(jié)。

精餾塔全塔總物料衡算式F=D+W全塔輕組分物料衡算式xF=DxD+WxW塔底產品純度通常很高，xW→0，FxF≈DxD，xD≈，xD與D成非線性關系，當塔頂產品質量不合格時，最有效的辦法是減小D，從而增大xD。

同理，全塔重組分物料衡算式

F（1-xF）=D（1-xD）+W（1-xW），

塔頂產品純度通常很高，xD→1，

F（1-xF）≈W（1-xW），XW≈1-與 W亦成非線性關系，當塔底產品質量不合格時，最有效的辦法是減小W，從而增大xW。

3.2.2L和V對產品純度的影響

精餾段總物料衡算式V=L+D，

如果蒸氣流量V不變，增加回流量L，就會減小餾出液流量D，從而改變xD，通過L來控制xD，稱為精餾段間接物料平衡控制。同理，對提餾段作物料平衡L′=V′+W，式中L′和V′分別是進入塔釜的液相回流量和離開塔釜的蒸氣流量。

在L′不變的情況下，增加上升蒸氣流量就等于減少釜液流出量。因此，把V′當作操縱變量來控制xB，就稱為提餾段間接物料平衡控制。L、V、L′和V′分別與塔頂冷卻量和塔釜加熱量相關，于是借助L 和V′對xD、xW的調節(jié)又稱為能量平衡調節(jié)。

精餾塔的控制方案很多，有壓力控制、液位控制、溫度控制、成分控制等，但它們的調節(jié)思路不外乎物料平衡調節(jié)和能量平衡調節(jié)。需要指出的是，在正常工況下，通過物料平衡來控制產品純度遠比用能量輸入有效。

3.3產品純度檢測方法

操作波動會影響產品的質量，精餾塔是否達到分離要求，可通過檢測產品組成來判斷，通常采取以下方法。

3.3.1直接法

產品組成可以直接測取，即對精餾塔產品進行在線組成測量。例如，采用在線工業(yè)色譜儀作為檢測手段，構成閉環(huán)控制回路。這種方法的優(yōu)點是最真實地反映了質量情況，缺點一是質量分析儀表一般都要有一套采樣系統，響應較慢，這對調節(jié)不利。二是在線工業(yè)色譜儀價格昂貴，維護困難。較好的辦法是測出影響質量的各因子（這些參數反應很快），然后通過建立的質量數學模型計算得到質量參數，這種模型稱為“軟儀表”，它既能真實地反映質量情況，響應又快。隨著石油化工的發(fā)展和計算機在工業(yè)控制中的大量應用，這種“軟儀表”方法必將得到廣泛的使用。

3.3.2間接法

3.3.2.1溫差控制

產品組成也可以間接獲得，即利用能夠代表產品組成的物性（如折射率、密度、蒸汽壓、冰點等）間接反映，而最常用的是塔板的（平衡）溫度。依據相律，對二元物系，在恒定的壓力下，氣、液兩相平衡溫度與組成存在一一對應的關系。溫度可以反映組成的大小，而且測量方法簡單、響應也快，是一種快捷簡便的方法。然而，塔板的溫度是壓力與組成的函數。壓力對干擾最為靈敏，響應以秒計，壓力變化，溫度隨之而變。只有當壓力波動范圍很小時，溫度與組成才存在一一對應的關系，才可以用溫度代替組成作為質量控制的指標。實踐表明，當塔壓波動時，塔板的溫度有一定的變化，但兩板間的溫度差變化卻非常小。例如，某分離異丁烷-正丁烷的精餾塔，壓力從1.126MPa改變到1.190MPa時，第52層板和第65層板的溫度基本不變，為2.8℃，見圖1。這就是說，塔壓變化時，溫差與組成之間保持的對應關系，基本不受壓力影響，因此可以用溫差作為被控變量來進行調節(jié)，保證產品純度符合要求。

圖1　塔壓變化對溫度分布的影響

選擇溫差信號作為間接質量指標時，測溫點應按下述方法來確定。如果塔頂餾出物是主要產品，那么一個測溫點應放在塔頂（或稍下一些），即溫度變化較小的位置；而另一個測溫點應選擇在靈敏板附近，即組成和溫度變化較大、較靈敏的位置。然后取這兩個測溫點的溫差作為間接質量指標構成控制系統［2］。

3.3.2.2雙溫差控制

采用溫度差作為衡量產品質量的指標可以消除壓力波動對產品質量的影響。但是當塔的絕對壓力變化，塔板間的壓力降也變化時，這兩者均會引起溫度變化，這時組成和溫度就不再呈現單值變化關系，采用上述溫差控制誤差較大。此時可采用雙溫差控制系統，即精餾段和提留段各取兩塊塔板進行檢測，再將這兩個溫差相減得到雙溫差。它對塔的絕對壓力，塔板間壓力降等變化的干擾靈敏度很低，可忽略。雙溫差與組成之間保持對應關系，可以用來進行調節(jié)以保證產品質量合格。

3.4精餾塔的自動調節(jié)

3.4.1自動調節(jié)的缺陷

精餾塔操作過程中，應密切注意系統溫度、壓力和液面的變化。當操作出現波動或質量偏離指標時，要找出主要原因，及時調節(jié)。自動調節(jié)盡管方便，優(yōu)點很多，但目前還不能完全代替人工調節(jié)。原因如下：

精餾裝置是一個有機的整體，一個工藝參數的變化原因可能是多方面的。比如，釜溫突然升高、冷劑量減少、進料中輕組分含量增加或進料量加大、采出管線堵塞都會引起塔壓升高。塔壓升高時，控制塔壓的調節(jié)機構就會自動動作，使其恢復正常。如果控制方案設計不合理，多個調節(jié)回路都會動作，相互干擾，產生所謂“共振”現象，反而使塔的操作波動加劇。正確的做法是：塔壓發(fā)生變化時，首先要判斷引起壓力變化的根本原因，然后改變相應的操縱變量，而不是簡單地使塔的壓力恢復正常。只有從本質上消除變化的原因，才能保證精餾塔長久穩(wěn)定操作。例如，當冷劑量不足或塔頂冷凝器設備出現故障引起塔壓升高時，若不提高冷劑量（能量平衡控制），而只是加大塔頂采出量（質量平衡控制）來恢復正常的塔壓，雖然短期內壓力保持平穩(wěn)，但這樣做有可能將重組分帶到精餾段，造成塔頂產品質量不合格，塔頂溫度出現波動［3］。

3.4.2自動調節(jié)的發(fā)展

這種多變量自動調節(jié)可以在操作人員的干預下，用改變被調參數的測量位置、整定參數等方法來克服，如果關聯嚴重，就要用解藕控制方法來實現。為了保證和提高精餾過程的控制品質，在上述基本控制的基礎上，發(fā)明了各類復雜控制和高級控制。近20年來，有關精餾塔控制的研究熱點大致包括：開發(fā)和應用線性多變量控制、自適應控制、預測控制、推理控制和魯棒控制算法，進行精餾塔控制系統設計；針對精餾裝置的非線性本質，將非線性控制技術應用于精餾塔的控制；將神經網絡、模糊控制等智能控制方法應用于精餾塔；應用先進控制與優(yōu)化策略實現精餾塔的節(jié)能優(yōu)化運行［4］。

然而，對精餾塔控制與節(jié)能優(yōu)化的研究大多為仿真和實驗研究，真正應用到實際裝置上的成功案例較少。這主要由于控制與優(yōu)化理論同實際應用之間的一系列問題并未得到很好的解決，突出表現在模型的不確定性與復雜性，控制量與被控量的約束問題，控制算法實現的難度及可靠性，以及執(zhí)行器失靈情況下的控制與優(yōu)化策略的實施等問題上［4］。

4　結束語

按照設計條件操作精餾塔，能夠生產出質量合格、滿足產量要求的產品。如果精餾塔受到干擾，條件偏離規(guī)定值或操作不穩(wěn)定，就應改變操作變量，通過控制回路恢復操作條件，平穩(wěn)生產出產品，主要表現為調節(jié)一定的被控參數。調節(jié)僅是操作的一部分。精餾過程干擾因素多、可調變量多，調節(jié)手段也多，但是調節(jié)不當會發(fā)生耦合現象。究竟是多管齊下，還是急則治標，緩則治本？需要多番對比、權衡利弊、綜合分析。這個過程相當復雜，完全能夠反映出操作者的水平。

雖然石油化工自動化發(fā)展迅速，提出了一些新穎科學的控制理論，使用了一些智能儀表和DCS控制系統，但由于精餾操作環(huán)境變化多端，儀表本身“學習”能力欠佳，目前仍然無法取代經驗豐富的技術工人的手動調節(jié)。當然，操作人員通過學習控制理論，對于系統總結操作經驗、提高自身操作水平大有裨益。這是事物發(fā)展的兩面性，因此只有當人們對精餾操作的本質有了足夠深刻的認識時，才可能發(fā)現更簡化、更精確的數學模型，從而設計出更合理的自動控制系統。

［1］陳敏恒，叢德滋，等.化工原理（下）（第二版）［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2002年4月:P69.

［2］史繼森.精餾塔的控制［J］.自動化博覽，2008年08月刊:P86-89.

［3］王宏，張立新.化工原理（下）-傳質分離技術（第二版）［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2014年10月:P57.

［4］薛美盛，祁飛，等.精餾塔控制與節(jié)能優(yōu)化研究綜述［J］.2006年6月，化工自動化及儀表，Vol.33（6）:P1-6.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.04.002

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1008-1267（2016）04-0005-04

2016-03-10