微正压精馏塔压力控制方法的研究

尹　琨，蒋建兰，白　鹏，黄丽丽，于　洋，杨　洁

(天津大学化工学院，天津 300072)

塔压是精馏塔控制中重要的被控变量[1-2]，当原料需要隔绝空气或者原料有其它特殊要求时[3]，往往对精馏塔进行微正压(一般认为低于0.01 MPa)[4]操作以满足相关要求。目前精馏塔的压力控制主要有精馏塔压力热旁路控制[5]、精馏塔浮压控制等控制方法。由于这些精馏塔的压力控制往往是通过改变冷却剂的流量[6-8]或者是改变换热面积等通过改变冷凝器参数进行控制，具有一定的滞后性[4]。

对此，本研究提出一种针对微正压操作的氮气充压控制方法[9-10]，通过试验考察了该控制方法的可行性；并进行该方法下的微正压精馏试验，表明该方法调节灵敏、稳定。

1　微正压操作的压力控制原理

本研究涉及的微正压控制方法通过直接控制精馏塔塔顶压力以实现精馏塔压力稳定的目标[11-12]。氮气充压系统主要由恒压罐、正压罐和负压罐构成，如图1所示。

图1　微正压操作的氮气充压法控制原理Fig.1　Micro-positive pressure control principle in nitrogen charging system

恒压罐与精馏塔相连，因此精馏塔的压力与恒压罐压力保持一致。精馏塔压力稳定时，恒压罐与正压罐、负压罐的阀门处于闭合状态。当精馏塔的压力出现波动，通过正压罐、负压罐对其进行压力的补偿调节。正压罐与负压罐不仅起到一个调节作用，同时起到一个缓冲作用，避免了恒压罐与氮气加压装置及真空机组直接相连而造成的压力调节偏差过大的问题。

2　微正压系统的控制验证试验

2.1　试验概述

建立了如图2所示的试验装置，考察该控制系统正(负)压罐的预设压力与恒压罐压力波动偏差直接的关系以及控制系统的响应时间。定义恒压罐压力偏差：[恒压罐由正(负)压罐调节造成的最大(小)表压-恒压罐预设表压]/恒压罐预设表压；正(负)压罐系数:[正(负)压罐预设表压-恒压罐预设表压]/恒压罐预设表压。

试验步骤如下：对整个装置抽真空，充入氮气并调节恒压罐、正压罐及负压罐使其达到相应的预设表压。对恒压罐制造一个正(负)压力波动，观察记录调节过程中恒压罐由正(负)压罐调节造成的最大(小)表压及回到预设值的响应时间。

图2　微正压控制系统的装置示意图Fig.2　Flow chart for micro-positive pressure control system

2.2　试验结果及分析

图3和图4分别为正压罐、负压罐系数与恒压罐偏差关系的示意图。其中横坐标为正(负)压罐系数，纵坐标为恒压罐压力偏差；点为不同预设表压下恒压罐的正(负)压罐系数与恒压罐压力偏差关系的对应关系，其连接的直线为其对应点的变化趋势。

图3　正压罐系数与恒压罐压力偏差关系示意图Fig.3　Pressure deviation of constant pressure part versus positive pressure coefficient

由图3和图4可知，在不同预设表压情况下，恒压罐压力偏差与正(负)压罐系数存在类似的变化趋势。当正(负)压罐系数在1.00左右恒压罐压力偏差小于20%；当正(负)压罐系数在0.75左右恒压罐压力偏差小于10%；当正(负)压罐系数在0.35左右恒压罐压力偏差小于5%。为了保持恒压罐压力的稳定，应该使正(负)压罐系数保持在较小

图4　负压罐系数与恒压罐压力偏差关系示意图Fig.4　Pressure deviation of constant pressure part versus negative pressure coefficient

的范围，正(负)压罐系数越小，其对应的恒压罐压力偏差越小，但其相应的调节范围也变小。在实际操作中，应该根据塔顶的表压及其允许的力波动范围，选择合适的正(负)压罐系数。

表1和表2为不同正压罐及负压罐系数下对应的恒压罐响应时间。

表1不同正压罐系数下恒压罐的响应时间(s)
Table1Responsetimeofconstantpressuretankunderdifferentpositivepressurecoefficients(s)

恒压罐预设表压/Pa正压罐系数03005010015020001231040890663000128114078057400012510908806050001191120840596000122113082061

表2　不同负压罐系数下恒压罐的响应时间(s)Table 2　Response time of constant pressure tank underdifferent negative pressure coefficient (s)

注：该响应时间下的扰动压力值为恒压罐预设表压值的1/2。

从表1和表2中可以看出，在文中所涉及的控制系统中恒压罐压力发生波动时通过控制系统调节可以使恒压罐在极短时间内达到平衡状态。当正(负)压罐系数增加时其对应的响应时间较少，但由于其响应时间的减少随正(负)压罐系数增加并不明显同时过大的正(负)压罐系数会使系统压力波动过大。因此为了减少压力波动使装置运行平稳，正(负)压罐系不应过大。

3　微正压系统的控制应用试验

建立如图5所示试验装置，考察在该微正压系统控制下精馏塔塔顶压力变化情况，验证该系统的可行性及运行效果。微正压控制系统与精馏塔相连设定恒压罐的预设压力，记录甲醇-水物系精馏分离过程中塔顶压力波动情况。

图5　微正压控制系统下的间歇精馏试验装置图Fig.5　Batch distillation apparatus under micro-positive control system

图6为在不同恒压罐预设压力下的精馏塔塔顶压力随时间的变化情况。

图6　精馏塔塔顶压力随时间变化图Fig.6　Top pressure changing tendency vs.time

从图6中可以看出在整个精馏操作过程中精馏塔塔顶压力基本保持稳定。当塔顶压力出现波动时也可以通过系统调节使之在短时间内回到稳定状态，同时调节过程中系统调节的压力偏差较小。说明该系统调节灵敏且调节引起的偏差较小，可以应用于一些特殊物系精馏分离过程中的微正压控制。

4　结论

1) 本研究所提出的精馏塔微正压控制系统可以实现精馏塔的压力稳定及压力波动时的调节控制。

2) 不同的恒压罐预设正压条件下，正(负)压罐系数与恒压罐的压力偏差之间存在类似的规律。即当正(负)压罐系数在1.00左右，恒压罐压力偏差小于20%；当正(负)压罐系数在0.75左右，恒压罐压力偏差小于10%；当正(负)压罐系数在0.35左右恒压罐压力偏差小于5%。

3) 在该系统调节下恒压罐在压力波动时达到预设表压所需的响应时间较短，正(负)压罐系数对其影响不明显。

4) 利用该微正压控制系统对甲醇-水物系进行精馏分离。说明该系统可以应用于精馏分离过程，

并能保证塔顶的压力稳定。

参考文献：

[1]吴俊生，邵惠鹤.精馏设计、操作和控制[M].北京：中国石化出版社，1997

[2]KOURTI T.Process analysis abnormal situation detection: From theory to practice[J].IEEI Control Systems Magazine, 2002, 22(5):10-10

[3]张大年.精馏塔的浮压控制与节能[J].江苏化工，2002, 3: 44-47

[4]蒋勇, 汤晟, 杨伟.塔河油田凝析油微正压稳定工艺技术改造油气田地面工程[J].2011, 3: 50-53

[5]张艳霞.热旁路分程控制在精馏塔压力控制中的应用[J].石油与天然气化工，2004，33(5): 340-342

[6]MAIDI A, DIAF M, KHELASSI A,etal.Non-interacting fuzzy control system design for distillation columns[J].Wseas transactions on circuits and systems, 2005, 4(4) : 345-350

[7]KANO M, SHOWCHAIY, A N, HASEBE S,etal. Infere ntial control of distillation compositions selection of model and control configuration[J].Contr Eng Pract, 2003, 11 (8) : 927-933

[8]CANETE J F, CORDERO T, GUIJAS D,etal.An adaptive neuro-fuzzy approach to control a distillation column[J].Neural Comput & Applic, 2000, 9 (3): 211-217

[9]张志强.精馏过程模拟、优化与控制研究及其应用[M].上海：上海交通大学，2000

[10]WATCHER J A.Operation and control of a high purity distillation column[D].Purdue University, 1990

[11]金以慧.过程控制[M].北京：清华大学出版社，1993

[12]MARLIN T E.Process control: Designing processes and control systems for dynamic performance [J].New York：McGraw-Hill, 2000