探索精馏塔塔顶温度控制方案在精馏实训教学中的应用

陈湘玲 康勇 张鹏

摘  要 塔顶温度控制在技术中占据重要地位，对产品纯度的控制起着至关重要的作用。针对单一的塔顶温度控制方案在精馏实训教学中存在的问题，以提纯酒精溶液为例，探索三种塔顶温度控制方案在精馏实训教学中的应用。

关键词 精馏塔;精馏实训教学;塔顶温度控制;酒精溶液;控制系统

中图分类号：G718.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）09-0128-04

0  引言

精馏过程是现代化工生产中应用极为广泛的传质过程，目的是利用混合液中各组分挥发度的不同将各组分进行分离，并达到规定的纯度要求。精馏过程用到的核心设备是精馏塔，具有多输入、多输出、多干扰量的特点。因此，精馏操作过程中需要控制的量及可调节的量较多，且各变量之间存在相互关联[1]，如图1所示。为了达到分离提纯的目的，在精馏塔的操作中应当采取适宜的控制方案以控制塔顶或塔釜产品的质量。

上海石化工业学校精馏过程所用的原料为15 wt酒精溶液，目的是在塔顶得到高纯度酒精产品。對于二元组分，在精馏塔总压一定的情况下，塔顶温度是馏出液组成的直接反映[2]。因此，本文主要探索以塔顶温度为被控变量的控制方案，以及它在精馏实训教学中的应用。

1  单一的塔顶温度控制方案在精馏实训教学中存在的问题

1.1  控制通道较长，温度控制滞后大

上海石化工业学校精馏实训过程中采用的控制方案是间接质量控制，即以塔顶温度为被控变量、以塔釜加热量为操纵变量的简单控制系统，通过调节塔釜加热量来控制塔顶温度，进而达到控制塔顶产品质量的目的。但此简单控制系统的控制通道较长，当塔釜加热量变化后，塔顶温度并不能立即变化，即存在较明显的控制滞后现象，塔顶温度不能得到及时有效的控制。

1.2  控制方案单一，控制质量不佳

在精馏实训过程中，影响塔顶产品质量指标的干扰因素较多，如进料量或进料成分的波动、再沸器加热蒸汽压力的波动、塔顶压力的变化、冷却剂冷却器内除去热量的变化及环境温度的变化等。仅采用单一的以塔釜加热量为调节变量来控制塔顶温度，其抗干扰能力较差，塔顶产品的控制质量不佳[3]。

2  探索精馏塔塔顶温度控制方案及其在精馏实训教学中的应用

笔者针对现阶段精馏实训中塔顶温度控制方案存在的问题，通过分析影响塔顶温度的主要因素，探索改进精馏塔塔顶温度的控制方案，并将其应用于精馏实训教学中，希望能提高学生对塔顶温度的精准控制，得到产量多、纯度高的酒精产品。图2即为以酒精溶液为原料液的精馏过程示意图。

在精馏塔塔板数一定的情况下，影响塔顶温度的因素主要包括回流量、原料的进料状态、塔釜加热量、塔压等[2]。结合图1可知，回流量直接影响塔顶温度，经塔顶出来的馏出物经过冷却器后变为温度较低的冷凝液，因此增加回流量在一定程度上能达到控制塔顶温度、增加塔顶产品浓度的目的。此外，为了保证塔顶产品的产量，还需综合考虑进料量、塔压、塔釜采出量和塔顶馏出液的控制。

下面，笔者主要以塔顶温度为被控变量，探索几种塔顶温度控制方案在精馏实训教学中的应用。

2.1  以回流量为操纵变量的塔顶温度控制

在精馏实训教学中，由于以塔釜加热量为操纵变量的塔顶温度控制方案存在控制通道长、控制滞后大的现象。笔者让学生结合所学的简单控制系统知识，在图2中画出以塔顶温度为被控变量、以回流量为操纵变量的简单温度控制方案。图3所示即为以回流量为操纵变量的简单温度控制示意图。上海石化工业学校精馏实训教学是以酒精溶液为原料的常压精馏操作，因此，预先设定塔顶温度的目标值为78.3 ℃，通过比较塔顶温度实际值与目标值的差值，学生可以合理有序地调整回流量的大小，进而达到对塔顶温度的稳定控制。

2.2  塔顶温度和循环冷却水流量的串级控制

以回流量为塔顶温度的控制方案简单易行，但当塔顶冷凝器的循环冷却水流量发生波动时，导致回流罐中的冷凝液不足时，上述的塔顶温度控制方案就有发生滞后的现象。因此，当循环冷却水在传热过程中不存在相变化时，可设计塔顶温度和循环冷却水流量的串级控制，用以克服循环冷却水故障带来的滞后现象。图4即为串级控制方案示意图[4]。

在精馏实训教学中，为了让学生更好地理解并应用串级控制方案，笔者设计三个活动，让学生由浅入深完成串级控制方案在精馏实训过程中的应用，具体教学流程如图5所示。

活动一：思考塔顶温度的控制方法。影响塔顶温度的因素很多，除了回流量以外，回流温度也直接影响塔顶温度，因此可以从控制回流温度方面着手，通过调节循环冷却水的流量来控制塔顶温度。

活动二：绘制串级控制示意图。学生通过补充串级控制系统示意图，能更加清楚地知道串级控制在精馏实训中的应用原理，在精馏实训过程中不至于盲目操作。

活动三：现场完成塔顶温度的稳定控制。在精馏实训现场，学生根据操作步骤完成精馏实训的准备工作，通过不断调节循环冷却水的流量，改变回流量来控制精馏塔温度的稳定。

在精馏实训教学中，串级控制方案的应用既解决了塔顶温度控制滞后大的问题，也提高了学生对于塔顶温度控制的精准性。

2.3  以塔顶温度控制为主的精馏段温度控制

为了得到纯度高、产量也高的酒精产品，仅控制塔顶温度是不够的，还需综合考虑进料量、塔压、再沸器加热蒸汽的流量、塔顶采出量、塔釜采出量等因素的影响。据此，设计图6所示精馏段温控方案，并将其应用于精馏实训教学中。由图6可知，除了以改变回流量作为主要控制手段的塔顶温度系统以外，还设有五个辅助控制系统，即：回流罐液位和塔顶采出量的均匀控制;精馏塔液位和塔釜采出量的均匀控制;进料量的控制;塔顶压力的定值控制;再沸器加热量的控制。

精馏段温控方案具有很明显的优点，如塔顶温度控制准确，能及时克服进料量的变化造成的干扰，塔顶产品的产量多等，但是在精馏实训教学中控制较复杂，且对学生素质的要求也较高。

3  结语

上述三种控制方案仅针对精馏实训教学提出，是一次将控制系统的知识融入精馏教学过程的探索，只适用于对分离纯度不高的精馏过程。精馏过程是个复杂的过程，能应用于精馏教学中的控制方案也层出不穷。随着计算机控制技术特别是集散控制系统（DCS）和系统总线控制系统（FCS）的迅速发展，且在工业生产过程中应用日趋广泛，计算机控制技术在精馏塔的控制中的应用也在不断成熟和发展[5]。笔者期望不久的将来，学校的精馏实训教学中也能引进先进的计算机控制技术，提高精馏控制品质，提升学生对先进控制技术的应用能力。■

参考文献

[1]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：化学工业出版社，2018.

[2]陈敏恒.化工原理（下册）[M].3版.北京：化学工业出版社，2014.

[3]沈俊.精馏塔再沸器典型温度控制方案的分析与优化[J].化工与医药工程，2015（6）：1-5.

[4]陈义明，孙腾民，李斌，等.精馏塔的工艺控制方案设计分析[J].中国石油和化工标准与质量，2019（4）：217-218.

[5]余贵涛.浅析精馏塔自动控制系统设计与应用[J].化工管理，2018（27）：72-73.