精馏塔控制和节能优化研究

＊祝建章 吴蕾 杨嵘晟

（巴音郭楞职业技术学院 新疆 841000）

引言

在我国的工业生产过程中，石油化工产业需要消耗大量的能源，而在进行石油化工生产时，能耗量最高的环节便是分离操作，精馏更是其中消耗量最大的一个项目，相关部门发表的统计数据显示，精馏所产生的能源耗用量达到了美国能耗总量的3%左右。而在中国，炼油厂所耗用的原油量更是高达炼油量的约10%，对于炼油厂而言，精馏环节正是耗油量最高的项目之一。在进行精馏的过程中，为确保最终产出的产品能够质量达标，大部分工作人员的操作都过于保守，同时，企业选择的操作方式以及操作参数也存在着缺乏合理性的问题，以至于过度分离现象频繁发生。在进行精馏时的能量来源，大多数被冷却水与分离组分带走。所以应当深入探究怎样在精馏环节减少能源耗用量，同时将其运用至实际的化工产业之中，这对于石油化工的发展具有显著积极作用。

1.精馏塔的优化目标

在针对精馏塔（图1）开展控制与优化的操作之前，首先应明确完成优化工作之后，通过精馏所取得的产品是否能拥有良好的品质。在确保产品质量满足规定标准的基础上，方可对精馏塔开展优化工作，以此来实现能源耗用量的减少以及回收率的进一步提升，从而在最大程度把成本转化为经济效益。所以，在针对精馏装置开展优化工作之前，应当满足物料与能量平衡、质量达标以及各种约束条件。

图1 精馏塔

(1)物料平衡以及能量平衡

在使用精馏装置开展生产加工活动时，工作人员应当保证进料的总量能够和塔底釜液、塔板蓄液以及塔顶液体的总量相同，同时其整体的变动趋势也应当保持平缓，这有助于确保各项工序的温度有序开展。与此同时，上述三种液体的总量也应得到有效控制，确保不会超出或低于标准的范畴之外。

(2)质量指标要求

精馏装置的质量指标要求明确指出，通过精馏所取得的产品纯度应当满足相关规范。精馏塔的主要功能在于，实现不同组分的溶液相分离，以此来取得石油化工生产所需的两种不同纯度的产品。在生产过程中，不管是轻组分还是重组分的产品均需要质量达标。因此在针对精馏塔进行控制与优化的过程中，应当尽可能遵循上述目标来开展优化工作。

(3)约束条件

约束条件主要指，化工企业的操作人员应当在针对多组分溶液进行精馏处理的过程中，尽可能把操作参数控制在限定的范畴之内。当前我国针对精馏塔所制定的约束条件，主要包括压差、液泛、漏液等方面的限制，通过上述几项约束条件的落实，能确保精馏塔在实际使用过程中保持良好的稳定性，并在精馏过程中取得满足企业生产需求的产品。

2.精馏原理

精馏指的是通过将特定浓度的溶液置入精馏设备之内，从而令其持续进行部分冷凝与汽化，最终在精馏塔的顶部与底部取得预期产品的一项操作流程。在进行精馏活动时，需要使用的设备主要包括精馏塔、冷凝器、再沸器、回流罐与回流泵（图2）。而连续精馏装置的运作原理是，通过进料泵把溶液输入至精馏塔以内，因为溶液的液体沸点存在差异性，可依据沸点的高低将其进行分组，其中沸点较低的一组由于容易挥发的原因，可能会发生汽化并不断向上升腾；而沸点较高的一组则由于无法挥发而逐渐向下流淌，同时和另一组溶液形成的蒸汽在塔板进行接触。

图2 精馏活动

在压力不变的情况下，如果针对一组溶液进行不断的加热，温度不会发生变动，然而若是在混合溶液沸腾之后进行加热，那么溶液的温度便会出现显著变动。在压力不变的情况下，溶液的组分状况和气相平衡之间存在着极为紧密的关联性，同时组分的浓度和沸点之间也存在着正相关性，若沸点提升则浓度也会取得相应的增长，平衡稳定也将随之提升，和一些纯物质不同，混合溶液的液相和气相都处于在平衡条件下的温度存在差异。在一组沸点较高的溶液进入釜液泵之后，便会转变为塔底产品，同时沸点相对较低的液体便会转变为塔顶产品，通过上述两项操作的结合，便能把混合溶液中存在的液体进行有效的分离，以此来取得两种不同的产品。

通过精馏的手段，能对混合液体进行处理，依据其沸点的高低，依靠精馏装置实现汽化与冷凝，并通过这两种手段将其区分。与此同时，溶液在发生冷凝与汽化反应时，分别会放出与吸收周边环境中存在的热量，所以精馏装置应当分别设置再沸器与冷凝器等设施，来为其进行辅助，以此来确保精馏装置能够完整运行，最终在精馏塔的顶部与底部取得预期的产品。

3.精馏塔的控制与节能优化研究

(1)精馏塔的控制研究

精馏的过程机理与动态变化均具有较高的复杂性，在进行精馏的过程中，操作人员必须针对许多变量进行控制，同时与这些变量相关的各种约束条件也极为复杂，均属于精馏塔控制过程中的重点与难点，并且长期以来均成为主要研究目标。在过去几年时间里，许多学者都开始重视精馏塔控制方面的研究，发表大量的文献资料，以此来对精馏塔控制系统开展优化设计，其中设计的范围涵盖线性多变量与预测控制等不同方面，同时学者们还在尝试依靠精馏塔的非线性本质来使用非线性控制技术。在开展精馏塔控制方面的研究时，预测技术成为学者们关注的重点项目之一，对于精馏装置的优化能发挥极为重要的作用。同时在开展精馏塔控制研究的过程中，还需更加关注智能化研究，并在此过程中把增益预测的手段运用至神经网络之中。当前我国学者们针对精馏塔的控制研究可以区分为以下两类：首先是针对控制系统开展结构分析，其次是针对精馏塔组分开展控制。因为当前我国大部分企业使用的组分检测装置存在着技术水平不达标的问题，无法实现实际生产过程中的在线控制需要，所以大部分学者都致力于进行推力控制的研究。然而，在实际开展研究时可以发现，精馏的各个环节之间均存在着密切的关联性，如果采取传统的最小二乘法开展研究，便无法取得理想的研究成果。我国研究大部分集中于针对试验设备的改良与理论的推导两个方面，极少数学者关注工业应用。与此同时，世界经济一体化的发展，使得我国居民对于生活质量的需求逐渐提升，这也导致我国化工企业对于精馏产品的纯度需求发生相应增长。所以，迫切需要针对精馏塔控制策略开展进一步的研究，从而能满足我国在化工产业发展方面的实际需求。

(2)精馏塔的节能优化研究

在针对精馏装置的节能优化手段开展探究的过程中，我国学者采取各种各样的手段，其目的在于减少精馏装置的能源耗用量，确保经济效益最大化。在进行精馏装置节能优化的过程中，常用手段包括以下几点：

首先，采取更加先进且高效能的填料方式，取代传统的填料方式，以此来进一步提升所填料体利用效率的有效增长；其次，持续提升精馏塔中的冷凝器与再沸器的性能，同时依据企业的实际需求增加两种设备的数量，以此来进一步提升混合溶液冷凝与升华的效率；再次，优化精馏塔的进料状态与位置，以此来实现减少能源耗用量的目标；最后，需要针对传统的精馏流程进行优化，并减少回流比。上述几种手段大部分是针对精馏的工艺流程（图3）进行优化，目标在于针对当前我国使用的各种化工生产装置进行优化改造，并实现生产流程的进一步优化，而只有极少数的学者选择以实际操作参数作为研究的切入点，因而当前我国针对精馏塔节能优化的研究依然无法取得良好的成果。

图3 精馏工艺流程

虽然当前已经有许多学者，尝试通过对精馏塔操作参数进行探究的方式来实现节能优化的目标，然而其中大部分研究的主要方向均为离线优化，同时许多学者在开展优化研究的过程中并未考虑到足够多的变量，因此无法在这一方面取得突破性的研究成果，无法针对精馏装置实现有效的节能优化。与此同时，在开展精馏装置节能优化（图4）研究的过程中，大多数学者采用的优化方式均需要使用与之对应的机理建模，然而装置建模的过程本身便具有一定的复杂性，必须消耗大量的时间。在完成建模之后，最终取得的模型也存在着非线性的特性，这也进一步提升精馏装置优化计算的难度。

图4 精馏装置节能优化

4.结束语

总而言之，在我国学者们针对精馏装置开展控制与节能优化的过程中，只有极少数的方法能够被运用至实际的石油化工生产过程中。之所以会出现这一问题，主要原因在于精馏装置的理论与实践之间的结合存在着诸多问题，无法得到切实有效的解决，这些问题的内容包括：控制量和被控制量之间存在着约束问题；执行器失灵之后应当采用怎样的优化措施；装置建模取得的成果具有较强的不确定性与复杂性；精馏塔控制算法的可靠性不足等。所以，我们应当在此基础上针对精馏塔的控制与节能优化开展更加深入地探究，以此来寻找出更多能被运用至实际操作过程中的节能优化手段，确保精馏装置能够得到持续稳定的运行。对此，还应当针对精馏塔的机理开展更深入地探究，并依据精馏装置在实际应用过程中具有的特性开展针对性设计，确保精馏装置能够发挥良好的节能效益，最终实现减少能源耗用量以及提高回收效率的发展目标。