浅谈精馏塔的工艺控制方案设计

李克景

（中国寰球工程公司华北规划设计院，河北涿州 072754）

浅谈精馏塔的工艺控制方案设计

李克景

（中国寰球工程公司华北规划设计院，河北涿州 072754）

压力和温度是精馏塔控制中比较重要的两个被控变量，首先对精馏塔的各种压力控制方案进行了介绍，并说明了它们的适用场合，接着介绍了精馏塔的温度控制方案。在上述基础上，给出了精馏塔的几个基本控制方案，并对原油常压蒸馏塔的工艺控制方案进行了分析。

精馏塔；工艺控制；方案

精馏过程是在石油化工和炼油生产中被广泛应用的一种传质过程，精馏塔是精馏过程中最重要的设备，它是一个极其复杂的对象。精馏塔分离性能的优劣直接决定着产品质量的好坏和装置能耗的高低。

由于分离过程的工艺要求、操作条件和分离物系特性的不同，精馏的具体过程千差万别，特别是炼油装置中的分离塔和化工装置中的分离塔有着更为显著的差异，其中，炼油中的常压蒸馏塔所分离出的侧线产品都是具有一定馏程的混和物，因此对产品纯度没有严格要求；而化工装置中的精馏塔产品大多要求达到聚合级，如：乙烯塔、丙烯塔、乙二醇精制塔等。因此，不同工艺过程中的精馏塔需要采用不同的工艺控制方案。此外，精馏塔具有多输入、多输出和多干扰变量，且具有极其复杂的内在机理，其动态响应不灵敏，各变量之间存在相互关联[1]，所以，要实现对精馏塔的精确、平稳、高效和安全控制是一项较为复杂的工作。适宜的精馏塔工艺控制方案能够优化产品质量、提高产品产量和降低能耗，所以，精馏塔工艺控制方案的设计也是一项极其重要的工作。因此，有必要结合自己的工作经验来浅谈一下精馏塔的工艺控制方案设计。

1 压力控制

大多数精馏塔的控制系统都是以恒定的塔操作压力为前提的，塔压波动会改变气相负荷和温度分布，从而使控制难度增加，并降低分离性能。在以温度控制作为间接质量指标的控制中，压力保持恒定是至关重要的，有时需要压力补偿，而有效的压力控制能够使温度控制对压力补偿的需求降到最小，同时，能优化操作达到最大产能。压力控制设计的基础是：以进、出塔的质量流量或热流量为操纵变量，即通过调节物料或能量平衡，可以实现对塔的压力控制。质量流量法是控制塔顶气体的蓄积量；而热流量法则是调节塔顶冷凝器的热通量。塔的压力控制方案有很多种，现针对不同的工艺情况进行分别介绍。

1.1 常压或微正压塔

常压塔稳定性无严格要求和空气对分离物料无影响时，则不需对其进行压力控制，只需在回流罐上设置一通大气的放气口即可。另外，对于存在不凝气的微正压塔来说，也可只设置罐气相出口调节阀。否则，常压塔和不存在不凝气的微正压塔则应采用如下的压力控制方案[2]，引入惰性气体，采用分程控制实现对塔压的控制，（见图1）；此外，当冷凝液体中含有一定量的杂质（可溶性气体）时，宜采用的控制方案（见图2）。

图1 压力控制方案

图2 压力控制方案

1.2 加压塔

1.2.1 存在不凝气时 在此种情况下，不需要引入不凝气，通过控制不凝气的排放量来实现对塔压的控制，（见图3）。

图3 压力控制方案

1.2.2 无不凝气时 此工艺情况下，有多种压力控制方案可供选择，（见图 4a、b、c和 d）。其中，图 4a的控制方案称为“热气体旁路控制”，其具有如下优点：控制回路动态响应快，回流罐位于高处可为回流泵提供较高的NPSH，冷凝器可地面安装，方便检修和清洗，调节阀位于管线尺寸较小的热旁路上，其尺寸可显著降低，该压力控制方案已在炼油和石油化工装置中得到了广泛应用；当冷凝器为空冷器时，由于回流罐不能位于空冷器之上，将采用如图4b所示的控制方式，此方案中调节阀设置在空冷器的下游要比上游经济，此外，控制旁路压差是为了保持一定的回流罐压力；图4c控制方案中，冷凝器设置在回流罐的上方，通过位于凝液管线上的调节阀来调节换热器中凝液（过冷区，即凝液滞留区）的换热面积，从而实现对塔压的控制；此外，图4d压力控制是冷凝速率调节控制，是通过调节冷却水的流量来实现的，该控制具有严重的非线性和较迟缓的动态响应，因此它是不被推荐使用的。除上述控制之外，对于汽提塔的压力控制，也可以通过调节再沸器的加热速率来实现。

图4 压力控制方案

1.3 真空塔

对于真空塔的压力控制有两种方式：一是调节抽真空设备的负荷，（见图5a、b）；二是引入惰性气体或空气，（见图5c）。但对于采用三级喷射器的高度真空蒸馏塔来说，是不需要压力控制的，如常减压蒸馏装置中的减压塔。

2 温度控制

图5 压力控制方案

精馏塔的质量指标有直接指标和间接指标两种。直接质量指标控制就是对产品成份的分析控制，但由于产品成份分析仪具有价格高、难维修和动态响应迟缓等缺点，故其在工业上应用较少。间接质量指标控制则是对温度的控制，温度控制具有成本低、动态响应灵敏和可靠性高等优点，从而使其在工业中得到了广泛应用。通过温度控制质量指标的设计基础是：当塔压保持恒定时，温度与产品组成之间存在着非常好的对应关系。在普通精馏中，对产品纯度的要求不高，压力微小波动给温度控制带来的误差可忽略不计。但在精密精馏（如：苯-甲苯-二甲苯、乙烯-乙烷、丙烯-丙烷精馏等）中[4]，对产品纯度的要求很高，由于组份间的相对挥发度非常小，因此压力波动导致的温度变化要比成份改变引起的温度变化大得多，故即使压力的微小波动也会使精密精馏的温度控制失效。为了克服压力波动的干扰，需采用具有压力补偿功能的温度控制，即温差控制。

在温度控制设计中，从理论上讲，塔顶温度能够最精确的反映塔顶产品的质量，相应地塔底温度也能最精确的反映塔底产品的质量。精馏塔的塔顶和塔底温度控制分别（见图6、图7）。但此种温度控制方案很少被采用，仅可用在产品的粗分离中。这是因为：塔顶或塔底附近的各塔板上产品成分比较接近，即温度变化不明显，需要配备高灵敏度和高控制精度的温度检测仪表，现实中很难达到这一要求。采用灵敏板温度控制产品的质量指标，可以有效解决上述问题，目前被广泛采用的精馏段和提馏段灵敏板温度控制方案（见图8、图9）。灵敏板位置可通过逐板计算或化工模拟软件（如：Proii、Aspen 等）模拟得出[1,3]，因无法准确估计实际塔板效率，另外，塔板效率也会随着工况的变化而变化，因此，在工业应用时，宜在所计算灵敏板位置的上下预设若干测温点，根据生产实际来选择灵敏板测温点。

图6 塔顶温度控制

图7 塔底温度控制

图8 精馏段灵敏板温度控制

图9 提馏段灵敏板温度控制

温差控制设计中，两温度检测点的选取至关重要。其中一温度应选取灵敏板温度，另一温度作为参比点温度，则应选取产品组成基本保持不变的塔顶或塔底温度。由于参比点温度只受压力变化的影响而基本不受产品成份改变的影响，而另一灵敏板温度检测点既受压力变化的影响又受产品成份改变的影响，且压力变化对二者温度的影响几乎是相同的，所以温差控制本质上则是具有压力补偿的灵敏板温度控制。精馏段温差控制方案（见图10）。

图10 精馏段温差控制

3 精馏塔的基本控制

3.1 产品质量控制

在采用质量控制方案时，将回流量、馏出量、蒸汽量和釜液量四个参数之一作为控制产品质量的手段，另一参数保持恒定，其余两参数则通过液位进行控制。依据主要产品采出位置的不同有两种控制方案，即精馏段控制方案和提馏段控制方案。精馏段控制方案依据调节馏出量或回流量又分为两种，其中，调节馏出量的精馏段控制方案见（见图11），该方案的优点是：利于平稳操作，回流比较大时比控制回流量的方案要灵敏，此外，在馏出产品不达标时，采用具有积分功能的控制器，可中断塔顶馏出量进行全回流来保证产品的质量。温度-流量的串级控制能迅速克服进入副回路的干扰对系统的不利，可改进系统的动态响应。提馏段控制方案依据调节加热蒸汽量或釜液量也分为两种，其中，调节加热蒸汽量的提馏段控制方案（见图12），该方案采用蒸汽量作为操纵变量，其动态响应比调节回流量迅速，利于克服提馏段的干扰和确保塔底产品的质量，目前此方案在精馏塔的控制中得到了广泛应用，由于塔顶回流量采用了定值控制，在设计中要确保回流量能满足最大负荷下的产品质量要求。

图12 提馏段产品质量控制

3.2 物料平衡控制

物料平衡控制无质量反馈控制，仅从外围控制D/F（或B/F）和V/F，使产品满足工艺要求，保证塔的平稳操作。其适用的工艺场合：（1）对产品质量没有严格要求；（2）进料流量和进料性质变化不显著、不频繁。

精馏塔在分离沸点接近的组份时，需要大量的塔板（超过100块）和较大的回流比（大于10）。在此种情况下，塔顶产品的组成和流量主要受回流比波动的影响。例如，当回流比为10时，回流量增加或减少1%，将导致塔顶产品流量增加或减少10%。因此，在回流率较大的情况下，必须将塔顶产品流量作为操纵变量，此时，可采用如下的物料平衡控制方案，（见图13）。此外，当塔底釜液产品远远小于塔顶馏出产品时，宜选用的物料平衡控制方案（见图14），其具有很好的控制灵敏度。

图13 物料平衡控制

图14 物料平衡控制

4 原油常压蒸馏塔的工艺控制

原油常压塔工艺控制采用的是精馏段控制方案，通过改变塔顶回流量来控制塔顶温度，从而实现间接控制产品质量指标的目的。塔顶采用温度-回流流量的串级控制，塔顶温度作为主变量，回流流量作为副变量，当塔顶回流量波动较大时，副控制回路能够提前对其波动范围进行控制，从而减小波动对温度控制的不利影响；常压塔釜液位和釜液流量构成串级均匀控制回路，塔釜液位作为主变量，控制液位过高或过低，同时使蒸汽与塔釜的储油充分接触并确保一定的停留时间，以利于轻馏分的带出，塔釜流量作为副变量，可减轻流量波动对液位控制的不利影响，有利于实现平稳控制；同时，对过热蒸汽采用定值控制以稳定汽提作用。常压塔顶的压力控制是通过调节分液罐中不凝气的排出量来实现的。

5 结论

精馏塔具有多输入、多输出和多干扰变量，内在机理复杂，再加上工艺过程的复杂性，所以精馏塔工艺控制方案的设计是项相当复杂的工作。因此，要在充分分析工艺机理的基础上，应针对不同的工艺过程、工艺物系性质、操作条件和产品要求，相应地来设计适宜的精馏塔工艺控制方案。

［1］ 刘兴高.精馏过程的建模、优化与控制［M］.北京：科学出版社，2007.

［2］ 尹琨，等.微正压精馏塔压力控制方法的研究［J］.化学工业与工程，2012，29（2）：70-73.

［3］ 刘成军，等.精馏控制系统中灵敏板的求取［J］.石油与天然气化工，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-），山东菏泽人，毕业于中国石油大学，硕士研究生学历，注册化工工程师，现从事石油化工设计工作，已发表论文数篇，邮箱：likejing@hqcec.com。