精餾塔液位控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

邢 晶，范永英

（樂凱膠片股份有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

新能源材料分公司精餾操作是實(shí)現(xiàn)二氯甲烷和石蠟油分離的重要環(huán)節(jié)，精餾塔液位控制穩(wěn)定性直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和系統(tǒng)能耗[1]。新能源材料分公司精餾設(shè)備引自日本公司，用于鋰電池隔膜生產(chǎn)過程萃取工段產(chǎn)生的二氯甲烷石蠟油混合液分離處理，實(shí)現(xiàn)二氯甲烷循環(huán)使用。

2 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)工藝流程介紹

2.1 釜式再沸器

如圖1所示，釜式再沸器管程通蒸汽殼程通物料，氣液兩相分離過程發(fā)生在這個(gè)殼體之內(nèi)，再沸器液面通過垂直的隔板保持設(shè)定的液位，確保蒸汽管束完全浸沒在液體之中，通過蒸汽加熱實(shí)現(xiàn)氣液兩相分離[2]。通過液位釜式再沸器液位與底部采出閥進(jìn)行連鎖PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制。

圖1 釜式再沸器Fig.1 Kettle reboiler

2.2 立式熱虹吸再沸器

如圖2所示，塔體的液相經(jīng)進(jìn)口管進(jìn)入再沸器，由于靜壓頭存在，再沸器的進(jìn)口壓力要大于液體的飽和壓力，液體需要加熱到對(duì)應(yīng)壓力的飽和壓力才能汽化，圖2中的BC段為顯熱段，液體在這里被加熱，之后的CD段，飽和液體被加熱會(huì)開始沸騰蒸發(fā)，液體變?yōu)闅庖簝上嗔?，隨后氣液兩相進(jìn)入塔釜完成循環(huán)[3]。通過液位與底部采出閥連鎖PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

圖2 立式熱虹吸再沸器Fig.2 Vertical Thermosiphon reboiler

立式熱虹吸再沸器換熱管內(nèi)的流動(dòng)和傳熱過程如圖3所示。隨著加熱量增大，管束內(nèi)流體狀態(tài)依次為液流、氣泡流、塊狀流、環(huán)狀流、噴霧流，其中噴霧流段的傳熱方式為蒸汽相對(duì)流傳熱，換熱效率低，會(huì)出現(xiàn)不平穩(wěn)的脈沖和氣阻，并使氣相溫度升高，降低精餾塔效率。[4]因此應(yīng)避免出現(xiàn)因加熱蒸汽量過大引起的塔體振動(dòng)和能源浪費(fèi)。當(dāng)精餾設(shè)備開機(jī)時(shí)，POS-103塔底溫度TIA-1702低，液位容易迅速上升，此時(shí)若想盡快穩(wěn)定液位，通常加大第一再沸器蒸汽用量，此時(shí)熱虹吸再沸器管束中容易出現(xiàn)噴霧流，所以應(yīng)控制加熱功率，即控制熱虹吸再沸器蒸汽用量。

圖3 立式熱虹吸再沸器管束流體狀態(tài)和換熱狀態(tài)Fig.3 Fluid state and heat transfer state of Tube Bundle in Vertical Thermosyphon reboiler

2.3 液位控制系統(tǒng)方案

日本公司二氯甲烷石蠟油精餾分離設(shè)備選用釜式再沸器與立式熱虹吸再沸器結(jié)合的方式。如圖4所示，精餾設(shè)備第一再沸器為立式熱虹吸再沸器，第二再沸器為釜式再沸器。首先設(shè)定精餾塔額定進(jìn)料量和第一再沸器蒸汽量，塔底采出閥與液位進(jìn)行連鎖，當(dāng)反應(yīng)釜液位高于設(shè)定值50%時(shí)，采出閥打開，液體進(jìn)入第二再沸器，第二再沸器溫度設(shè)定130℃，液體進(jìn)入后會(huì)迅速汽化，氣相產(chǎn)物進(jìn)入POS-103，流向塔頂。液體通過采出閥進(jìn)入第二再沸器后，再沸器溫度降低，通過第二再沸器加熱蒸汽閥與溫度連鎖實(shí)現(xiàn)溫度可控。若POS-103液位LIC-1701到達(dá)100%，則停止加熱；若POS-103液位LIC-1701到達(dá)0%，則停止進(jìn)料，從而實(shí)現(xiàn)極限保護(hù)。

圖4 一種精餾設(shè)備工藝流程Fig.4 A process flow of rectification equipment

2.4 液位控制系統(tǒng)變量

影響液位控制的變量有：進(jìn)料量及其狀態(tài)，第一再沸器蒸汽量，液位與采出閥的PID設(shè)計(jì)，第二再沸器的蒸汽量與溫度的PID設(shè)計(jì)等。

2.4.1 進(jìn)料狀態(tài)

折算為蒸汽變化量：

折算為蒸汽變化量：

2.4.2 進(jìn)料量

二氯甲烷石蠟油混合液進(jìn)料量穩(wěn)定是系統(tǒng)穩(wěn)定的前提，因此日本公司配置了較為準(zhǔn)確的科里奧利力質(zhì)量流量計(jì)；用以計(jì)量二氯甲烷石蠟油混合液。通過流量計(jì)與進(jìn)料自控閥進(jìn)行PID自控連鎖實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供料。精確度控制在Δm，處理這部分二氯甲烷所需加熱量：

折算為蒸汽變化量：

2.4.3 第一再沸器蒸汽量

第一再沸器設(shè)定蒸汽量與自控閥進(jìn)行PID總控連鎖，確保穩(wěn)定供汽。由自控引起的蒸汽量偏差為。當(dāng)進(jìn)料狀態(tài)和進(jìn)料量穩(wěn)定時(shí)，第一再沸器蒸汽量范圍由POS-103塔底采出量決定。當(dāng)采出量最小時(shí)，蒸汽用量最大為；采出量最大時(shí)，蒸汽用量最小為，。此時(shí)第二再沸器所需加熱蒸汽量：。系統(tǒng)允許蒸汽波動(dòng)范圍小于干擾變量引起蒸汽波動(dòng)時(shí)，即當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)液位無法穩(wěn)定。經(jīng)實(shí)踐證明，則系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)控制。

3 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化分析

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)在的精餾系統(tǒng)理論上是可以實(shí)現(xiàn)液位穩(wěn)定控制的。

（2）進(jìn)料量和進(jìn)料狀態(tài)越穩(wěn)定，越有利于實(shí)現(xiàn)液位穩(wěn)定控制，建議精餾設(shè)備設(shè)置的處理量接近于萃取工段的循環(huán)量，盡可能延長進(jìn)料量穩(wěn)定時(shí)間。

（4）當(dāng)POS-103液位偏高時(shí)，可調(diào)節(jié)第一再沸器蒸汽量，但不宜超過1000 kg/h，當(dāng)POS-103液位偏低時(shí)可降低第一再沸器蒸汽量。

（5）只有操作人員在實(shí)踐中檢驗(yàn)理論，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)才能使精餾設(shè)備在最佳狀態(tài)運(yùn)行。