论精馏塔的操作与自动调节

吕江平，王雪峰，卢卓

（1.兰州石化职业技术学院应用化学工程系，甘肃兰州730060；2.中国石油兰州石化公司300万t／a重油催化裂化装置，甘肃兰州730060）

论精馏塔的操作与自动调节

吕江平1，王雪峰2，卢卓2

（1.兰州石化职业技术学院应用化学工程系，甘肃兰州730060；2.中国石油兰州石化公司300万t／a重油催化裂化装置，甘肃兰州730060）

本文以二元精馏为例，简要地介绍了精馏塔稳定操作的条件，精馏过程条件波动时，工艺参数调节的基本思路和手段。同时，讨论了精馏塔人工调节与自动调节的关系，还对自动调节的复杂控制和高级控制做了简单的说明和展望。

精馏塔操作；自动调节；调节思路；能量平衡调节；温差控制；产品检测

1　引言

液体均具有挥发成为蒸汽能力，但各种液体的挥发性各不相同，因此，液体混合物部分气化所生成的气相组成与液相组成将有差异，这是蒸馏操作的基础［1］。通过一次部分气化或一次部分冷凝，轻、重组分便可分别在气、液相中得到增浓，倘若对二元混合物进行多次部分气化和多次部分冷凝，轻、重组分就可得到比较完全的分离。

多级蒸馏获得高纯组分最初采用多釜蒸馏的方式，需要多个分离器、加热器和冷凝器，不断进行气化-冷凝-分离来完成。操作时，压力保持恒定，气、液传质在体系内部完成，只要时间足够长便可达到相际平衡，操作较简单，但是中间产物多，最终的高纯度产品少，设备种类及数量多而杂，经济上不合算。采用精馏塔操作，气、液两相被限定在同一设备内，二者通过逆向回流多次充分接触，始终保持浓度差和温度差，能够达到高纯多产的目的，但是气、液相回流使两相间的传质干扰因素增多，而且回流的气液流量、组成及焓值不易准确确定，因此操作难度显著增加。本文以二元精馏为例，从精馏塔稳定操作的必要条件，精馏塔调节的基本思路，自动调节的缺陷、发展趋势，自动调节与人工调节的关系等方面进行了阐述。

2　精馏塔的稳定操作

精馏塔的操作就是设法克服各种干扰因素，防止对塔顶、塔底产品组成和数量的影响。精馏塔操作的基本要求是在连续定态和最经济的条件下处理更多的原料液，达到预定的分离要求（规定的xD和xW）或组分的回收率。一般来说，操作越平稳，能耗越少。而稳定生产须做到系统既无物质累积，又无热量累积，据此，精馏塔正常操作须处理好塔的物料平衡和热量平衡。物料平衡指塔的进料量与产品的抽出量相等。物料平衡的变化，具体反映在塔顶、塔底贮罐液面上。热量平衡指进塔热量和出塔热量相等，具体反映在塔内压力和温度上。

3　精馏塔的调节

3.1相关概念

要做到平稳操作，生产过程必须在规定的温度、压力、浓度等工艺参数条件下进行，但由于种种原因，这些参数总会发生一些变化，与工艺参数规定值发生偏离。为了保持参数稳定，就必须对工艺过程施加一个作用以消除这种偏差而使参数回到规定值上，这样的控制过程叫作生产过程的调节。如果由人工来完成，称为人工调节。如果由仪表及必要的装置代替人工来完成调节过程而使人脱离直接操作的岗位，就称为自动调节。自动调节能够代替人的体力劳动，改善劳动环境，提高生产效益，因而在化工生产过程广泛应用。

精馏塔调节的基本目标是确保精馏塔按设计条件操作，补偿设计偏差，尽量做到：使产品质量符合要求；使塔的操作稳定；使塔的生产能力高；能量消耗少，经济效益高。具体来说，就是控制塔顶和塔底组成（xD、xW）使产品质量符合规定，控制塔顶贮罐液位、塔底液位、压力恒定，保持精馏塔平稳操作，即精馏塔要控制：塔顶产品浓度、塔底产品浓度、塔内压力、贮罐液位和塔底液位等五个被控变量。精馏装置是一个多输入、多输出的系统，干扰因素多，如进料流量、进料组成、进料热状况、冷剂温度、热剂温度、环境温度、大气压力等。精馏塔被控变量的影响因素多，调节手段也多，一般靠塔顶馏出液流量D、塔底产品流量W、回流量L、冷却剂流量和加热剂流量（可简化为D、W、L、V）来调节，将它们称为操纵变量。

3.2基本调节思路

当产品质量偏离指标时，通常采用以下两类办法达到自动调节的目的。

3.2.1D和W对产品纯度的影响

利用D、W调节塔顶、塔底产品纯度xD、xW称为直接物料平衡调节或质量平衡调节。

精馏塔全塔总物料衡算式F=D+W全塔轻组分物料衡算式xF=DxD+WxW塔底产品纯度通常很高，xW→0，FxF≈DxD，xD≈，xD与D成非线性关系，当塔顶产品质量不合格时，最有效的办法是减小D，从而增大xD。

同理，全塔重组分物料衡算式

F（1-xF）=D（1-xD）+W（1-xW），

塔顶产品纯度通常很高，xD→1，

F（1-xF）≈W（1-xW），XW≈1-与 W亦成非线性关系，当塔底产品质量不合格时，最有效的办法是减小W，从而增大xW。

3.2.2L和V对产品纯度的影响

精馏段总物料衡算式V=L+D，

如果蒸气流量V不变，增加回流量L，就会减小馏出液流量D，从而改变xD，通过L来控制xD，称为精馏段间接物料平衡控制。同理，对提馏段作物料平衡L′=V′+W，式中L′和V′分别是进入塔釜的液相回流量和离开塔釜的蒸气流量。

在L′不变的情况下，增加上升蒸气流量就等于减少釜液流出量。因此，把V′当作操纵变量来控制xB，就称为提馏段间接物料平衡控制。L、V、L′和V′分别与塔顶冷却量和塔釜加热量相关，于是借助L 和V′对xD、xW的调节又称为能量平衡调节。

精馏塔的控制方案很多，有压力控制、液位控制、温度控制、成分控制等，但它们的调节思路不外乎物料平衡调节和能量平衡调节。需要指出的是，在正常工况下，通过物料平衡来控制产品纯度远比用能量输入有效。

3.3产品纯度检测方法

操作波动会影响产品的质量，精馏塔是否达到分离要求，可通过检测产品组成来判断，通常采取以下方法。

3.3.1直接法

产品组成可以直接测取，即对精馏塔产品进行在线组成测量。例如，采用在线工业色谱仪作为检测手段，构成闭环控制回路。这种方法的优点是最真实地反映了质量情况，缺点一是质量分析仪表一般都要有一套采样系统，响应较慢，这对调节不利。二是在线工业色谱仪价格昂贵，维护困难。较好的办法是测出影响质量的各因子（这些参数反应很快），然后通过建立的质量数学模型计算得到质量参数，这种模型称为“软仪表”，它既能真实地反映质量情况，响应又快。随着石油化工的发展和计算机在工业控制中的大量应用，这种“软仪表”方法必将得到广泛的使用。

3.3.2间接法

3.3.2.1温差控制

产品组成也可以间接获得，即利用能够代表产品组成的物性（如折射率、密度、蒸汽压、冰点等）间接反映，而最常用的是塔板的（平衡）温度。依据相律，对二元物系，在恒定的压力下，气、液两相平衡温度与组成存在一一对应的关系。温度可以反映组成的大小，而且测量方法简单、响应也快，是一种快捷简便的方法。然而，塔板的温度是压力与组成的函数。压力对干扰最为灵敏，响应以秒计，压力变化，温度随之而变。只有当压力波动范围很小时，温度与组成才存在一一对应的关系，才可以用温度代替组成作为质量控制的指标。实践表明，当塔压波动时，塔板的温度有一定的变化，但两板间的温度差变化却非常小。例如，某分离异丁烷-正丁烷的精馏塔，压力从1.126MPa改变到1.190MPa时，第52层板和第65层板的温度基本不变，为2.8℃，见图1。这就是说，塔压变化时，温差与组成之间保持的对应关系，基本不受压力影响，因此可以用温差作为被控变量来进行调节，保证产品纯度符合要求。

图1　塔压变化对温度分布的影响

选择温差信号作为间接质量指标时，测温点应按下述方法来确定。如果塔顶馏出物是主要产品，那么一个测温点应放在塔顶（或稍下一些），即温度变化较小的位置；而另一个测温点应选择在灵敏板附近，即组成和温度变化较大、较灵敏的位置。然后取这两个测温点的温差作为间接质量指标构成控制系统［2］。

3.3.2.2双温差控制

采用温度差作为衡量产品质量的指标可以消除压力波动对产品质量的影响。但是当塔的绝对压力变化，塔板间的压力降也变化时，这两者均会引起温度变化，这时组成和温度就不再呈现单值变化关系，采用上述温差控制误差较大。此时可采用双温差控制系统，即精馏段和提留段各取两块塔板进行检测，再将这两个温差相减得到双温差。它对塔的绝对压力，塔板间压力降等变化的干扰灵敏度很低，可忽略。双温差与组成之间保持对应关系，可以用来进行调节以保证产品质量合格。

3.4精馏塔的自动调节

3.4.1自动调节的缺陷

精馏塔操作过程中，应密切注意系统温度、压力和液面的变化。当操作出现波动或质量偏离指标时，要找出主要原因，及时调节。自动调节尽管方便，优点很多，但目前还不能完全代替人工调节。原因如下：

精馏装置是一个有机的整体，一个工艺参数的变化原因可能是多方面的。比如，釜温突然升高、冷剂量减少、进料中轻组分含量增加或进料量加大、采出管线堵塞都会引起塔压升高。塔压升高时，控制塔压的调节机构就会自动动作，使其恢复正常。如果控制方案设计不合理，多个调节回路都会动作，相互干扰，产生所谓“共振”现象，反而使塔的操作波动加剧。正确的做法是：塔压发生变化时，首先要判断引起压力变化的根本原因，然后改变相应的操纵变量，而不是简单地使塔的压力恢复正常。只有从本质上消除变化的原因，才能保证精馏塔长久稳定操作。例如，当冷剂量不足或塔顶冷凝器设备出现故障引起塔压升高时，若不提高冷剂量（能量平衡控制），而只是加大塔顶采出量（质量平衡控制）来恢复正常的塔压，虽然短期内压力保持平稳，但这样做有可能将重组分带到精馏段，造成塔顶产品质量不合格，塔顶温度出现波动［3］。

3.4.2自动调节的发展

这种多变量自动调节可以在操作人员的干预下，用改变被调参数的测量位置、整定参数等方法来克服，如果关联严重，就要用解藕控制方法来实现。为了保证和提高精馏过程的控制品质，在上述基本控制的基础上，发明了各类复杂控制和高级控制。近20年来，有关精馏塔控制的研究热点大致包括：开发和应用线性多变量控制、自适应控制、预测控制、推理控制和鲁棒控制算法，进行精馏塔控制系统设计；针对精馏装置的非线性本质，将非线性控制技术应用于精馏塔的控制；将神经网络、模糊控制等智能控制方法应用于精馏塔；应用先进控制与优化策略实现精馏塔的节能优化运行［4］。

然而，对精馏塔控制与节能优化的研究大多为仿真和实验研究，真正应用到实际装置上的成功案例较少。这主要由于控制与优化理论同实际应用之间的一系列问题并未得到很好的解决，突出表现在模型的不确定性与复杂性，控制量与被控量的约束问题，控制算法实现的难度及可靠性，以及执行器失灵情况下的控制与优化策略的实施等问题上［4］。

4　结束语

按照设计条件操作精馏塔，能够生产出质量合格、满足产量要求的产品。如果精馏塔受到干扰，条件偏离规定值或操作不稳定，就应改变操作变量，通过控制回路恢复操作条件，平稳生产出产品，主要表现为调节一定的被控参数。调节仅是操作的一部分。精馏过程干扰因素多、可调变量多，调节手段也多，但是调节不当会发生耦合现象。究竟是多管齐下，还是急则治标，缓则治本？需要多番对比、权衡利弊、综合分析。这个过程相当复杂，完全能够反映出操作者的水平。

虽然石油化工自动化发展迅速，提出了一些新颖科学的控制理论，使用了一些智能仪表和DCS控制系统，但由于精馏操作环境变化多端，仪表本身“学习”能力欠佳，目前仍然无法取代经验丰富的技术工人的手动调节。当然，操作人员通过学习控制理论，对于系统总结操作经验、提高自身操作水平大有裨益。这是事物发展的两面性，因此只有当人们对精馏操作的本质有了足够深刻的认识时，才可能发现更简化、更精确的数学模型，从而设计出更合理的自动控制系统。

［1］陈敏恒，丛德滋，等.化工原理（下）（第二版）［M］.北京:化学工业出版社，2002年4月:P69.

［2］史继森.精馏塔的控制［J］.自动化博览，2008年08月刊:P86-89.

［3］王宏，张立新.化工原理（下）-传质分离技术（第二版）［M］.北京:化学工业出版社，2014年10月:P57.

［4］薛美盛，祁飞，等.精馏塔控制与节能优化研究综述［J］.2006年6月，化工自动化及仪表，Vol.33（6）:P1-6.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.04.002

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2016-03-10