化工生产技术技能大赛精馏设备最佳工况参数研究与实践

戴 璐

（江苏省淮安技师学院，江苏淮安 223001）

任何一个化工生产过程都离不开对原料或反应产物的分离提纯操作，比如从原油中分离出各种燃料油、润滑油、石脑油、汽油和石油化工原料到有机、无机、精细化学品的合成，都离不开对混合物的分离。而精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业生产中应用最为广泛的液体混合物分离操作。

精馏塔工艺操作的稳定性直接关系着整个装置的产品质量、生产能力、消耗定额以及环保问题等方面。梳理清楚精馏操作过程中的各个参数之间的关系，严格控制好各个工艺指标，能够确保整个操作过程稳定、高效。

从历年大赛给出的竞赛要求和考核评分细则中可以发现，工艺生产系统的稳定性、产品质量及能耗三方面一直是大赛的考核重点，考核项目主要包括精馏工艺指标合理性、生产工艺稳定时间、产品浓度、产品产量、原料损耗量、水、电能耗等。但在大赛中并没有明确精馏设备的最佳操作工况，如果学生在操作过程中找不到最佳参数，那么在比赛中会出现产品质量合格、而产量不合格；或者产量合格、质量不合格等不正常情况，所以，找到最佳的工况参数对操作非常重要，有助于学生在大赛操作过程中能够快速建立塔内物料平衡，使精馏塔达到稳定操作，从而在大赛中取得优异成绩。

1 最佳工况参数的研究

精馏操作中的工艺参数变量较多，且各变量之间相互关系、相互影响，要使精馏操作高效、稳定，必须控制好精馏过程的物料平衡和热量平衡。

学生在大赛训练及比赛过程中要实现温度、压力、流量、液位等参数的监测与控制，并能够做到进料稳、产品采出稳、精馏塔温度稳及压力稳，才能在大赛中取得优异成绩。例如在精馏塔的操作中，如何维持塔顶和塔底产品的稳定？如何控制产品的质量和产量？在提高温度时，如何既要考虑到产品的质量，又要考虑到工艺损失。这就需要学生扎实的理论基础和精湛的技艺。

仔细研读《江苏省职业学校化工生产技术赛项精馏操作竞赛的基本要求与考核评分细则》，对比2017年、2019年和2021年的化工生产技术赛项规程重要操作点发现（如表1和表2所示），考核点大体相同。从表2可以看出，产量和浓度两项占比较大，所以，要想在大赛中与其他参赛队拉开差距，关键在于产量和浓度两方面。如果产量和浓度分数较低，大多是由于没有做好物料平衡，塔内分离能力较差导致，学生在训练前期首先要做好物料衡算，找到最佳工况参数值，再根据最佳工况参数值进行针对性的训练，才能有助于学生在大赛中快速做好塔内物料平衡，确保稳定操作。

表1 化工生产技术赛项规程重要操作点

表2 精馏考核权重分配表

1.1 物料衡算

学生在大赛前需要对全塔进行物料衡算，找到进料、塔顶采出、塔底采出等最佳取值，才能帮助学生在平时训练及大赛中快速建立物料平衡，确保运行过程中稳定高效。

1.2 进料热状况的确定

泡点进料是进料热状况中比较理想的一种进料状况，这种进料也较为经济和最为常用，在大赛中也选择泡点进料。进料温度应根据物料衡算等内容确定，是学生在操作中控制的重要依据。

1.3 回流比的确定

回流对精馏操作来说是必要的。回流比是影响塔分离效果的主要因素，生产中经常用回流比来调节、控制产品的质量。回流量的大小，对精馏效果、产品质量、塔板数和水、电、气的消耗都有直接影响。回流比增加，使塔内上升蒸汽量及下降液体量均增加，若塔内气液负荷超过允许值，则可能引起塔板效率下降，此时应减小原料液流量。而大赛中也没有明确回流比、回流量值，虽然通过大量实验，学生可以摸索出适宜回流量，但耗时太长。所以，根据理论计算确定回流比，从而确定出回流量值，再通过实验验证，大大提高了准确性又缩短了其摸索时间。

1.4 进料板位置的确定

大赛中给出两块进料板，分别为第十块进料板和第十二块进料板，比赛中由参赛选手自行选择。由精馏原理和热力学知识可知，进料板的位置直接影响精馏分离的质量。学生在《化工原理》课程中已经学习了通过逐板计算法和图解法来确定进料板的位置。也可以通过实验的方法比较第十块进料板和第十二块进料位置下的精馏结果，找出分离效果较好的那块进料板，从而确定出大赛中最佳进料板的位置。

1.5 塔釜温度的控制

塔釜温度是由釜压和物料的组成决定的。在操作过程中，只有保持规定的塔釜温度，才能保证产品的质量。提高釜温时，会使塔内液相中的易挥发组分减少，又会使上升蒸汽的速度增大，有利于提高传质效率。通常情况下，改变加热蒸汽量将塔釜温度调节正常。所以，主操同学在全过程中要紧密关注视镜鼓泡情况、预热器出口温度、釜压等情况适时调节温度。

2 实践探索

2.1 规范操作

大赛精馏操作竞赛的考核项目由三部分组成：精馏操作技术指标（85%）、规范操作（12.5%）和安全文明操作（2.5%）。针对评分规则中具体的内容，应让学生明确各评分点，养成规范操作的意识，是大赛取得优异成绩的第一步，也是化工类学生必须具备的职业素养。

为了避免学生在大赛中出现突发情况，学生在平时的训练中要养成了解整个设备情况的习惯，比如检查总电源、仪表盘、电压表、监测仪表的情况，因为在大赛中，学生会因紧张出现忘记检查的情况，如现场出现了仪表盘上按键卡死或其他异常情况，就会影响学生整个赛程的心态，导致大赛中不能发挥出正常水平。

学生要养成识图的习惯，因为在开车前，需要同学们根据大赛提供的阀位表进行各阀门状态的检查和挂牌，从表1中可以看出，2017年、2019年、2021年的阀门状态不同，17年是43关6开，而19年和21年都是45开4关，虽然近2年的阀门状态一样，但还是要让学生养成识图的习惯，避免其他情况的出现。如果在开车前，因检查不到位，漏检或对阀门的状态搞不清的情况，则在大赛过程中会出现重大失误。例如在2019年技能大赛比赛过程中，有学生漏检了进料流量计的状态，在进料初期没有发现异常没有及时解决，最终导致淹塔，出现了重大事故。此外，在平常训练中还会发现主操同学甚至出现了操作界面没有清零复位等情况，因此，需要进一步加强学生的心理素质的培养，避免因为紧张而出现很多不该出现的情况，从而影响大赛的发挥和最终成绩。

2.2 精馏操作

2.2.1 开车准备

（1）开始比赛。主控同学工作职责是首先要对总电源、仪表盘，电压表、显示仪表检查是否正常；准确记录电表、水表、原料罐初始读数。

（2）上、下层同学分别检查各自岗位的阀门状态，特别是底阀和流量计更要认真检查，调整至准备开车状态并挂牌标识，同时，主操同学可以快速检查，确保比赛能够正确进行，万无一失。

（3）下层同学规范操作进料泵，将原料加入再沸器至合适液位。主操点击考核开始。

2.2.2 开车操作

（1）主操规范启动再沸器、原料预热器加热系统，升温。

（2）主操同学紧密关注塔釜和塔顶温度上升情况，上层同学根据温度情况开启塔顶冷却水进口阀，调节冷却水流量，观察到回流罐内有液体时，规范操作产品泵，通过回流转子流量计进行全回流操作。

（3）主操和上层同学相互配合，调节塔内稳定，做好部分回流准备。

（4）主操通知部分回流开始，选择合适的进料板，下层同学通过调节原料转子流量计，控制进料流量≤60L/h，若再沸器液位过高，要适时通过残液泵排残，确保塔内物料平衡；上层同学规范操作回流泵，通过塔顶产品罐冷却器至要求温度范围内收集至塔顶产 品罐。

2.2.3 停车操作

（1）精馏操作考核80min完毕，做好停车准备，下层同学停进料，关闭管线上阀门。

（2）主操规范停止预热器和再沸器加热；点击考核结束，停回流泵。

（3）上层同学停冷却水，将回流罐内所有液体全部打回产品罐，停产品泵、塔顶产品冷却水。

（4）主操记录水表、电表读数。其余同学将各阀门恢复初始开车前状态，并相互配合收集并称量产品罐中的产品，取样分析。

2.3 操作中常见问题及解决方案

2.3.1 常见问题

从训练过程中发现，学生在操作中容易出现问题的一般是在再沸器液位和塔底温度控制两方面。

（1）再沸器液位异常：再沸器的液位是考核过程中一个非常重要的工艺指标，再沸器液位需要维持稳定在指定的范围，超出范围持续一定时间系统将自动扣分。所以，不管是在刚开始的快速进料中还是运行过程中，再沸器的液位控制都是非常重要的。

（2）塔顶温度偏高：学生在训练或比赛过程中，需要找到系统设定的塔顶温度值，并将温度能够控制在规定的范围内。

塔顶温度是整个操作过程中最关键的工艺指标，其值也可以反映出产品的分离效果即产品的质量。从训练中发现，学生经常在操作过程中出现塔顶温度偏高而束手无策，最终得不到合格的产品和产量的情况。

2.3.2 解决方案

2.3.2.1 再沸器液位异常

针对第一种情况，教师可以组织学生反复训练，通过让学生观察原料罐液位下降和再沸器液位上升的情况进行初判断，并记录每一次实验的液位值，做到心中有数，积攒经验。

最关键的一点是，训练下层同学和主操同学之间的配合，因为在比赛过程中，由于现场设备较多，机器噪声较大，其他学校学生在互相交流时也会造成一定干扰，所以教师可以在平时的训练过程中，人为地增加干扰，制造噪声，让学生在嘈杂的环境中找到最佳的沟通方式，从而可以避免因环境因素造成沟通不利影响液位判断的情况。

对于运行过程中出现再沸器液位异常的情况，需要加强各岗位间的沟通交流，尤其是主操同学对整个操作的把控，要将各工艺指标情况及时反馈给现场同学，现场同学才能根据反馈信息作进一步操作。

2.3.2.2 塔顶温度偏高

在训练过程中发现塔顶温度偏高主要是由于塔釜温度偏低，上升蒸汽量不够，从而导致回流量减小，造成塔顶温度偏高。对于这种情况，主操同学需要严格控制好再沸器和预热器的温度，切忌突然增大或突然减小而造成塔内不平衡；其次，一定要控制好回流量、进料量、采出量等，只要有一个工艺指标出现异常，必然会造成相关指标出现波动，都会影响整个精馏过程分离效果。所以，找到最佳工况参数非常重要，能帮助同学综合判断出现异常的原因，从而进行解决。

为了提高学生应对解决异常情况的能力，在平时训练中，教师可以增加事故处理，锻炼学生分析问题、解决问题的能力；其次，要加强学生阅读工艺流程，弄清主要设备作用及流程图中主要物料和辅助物料的流向内容，只有深刻理解其工艺过程，才能帮助学生遇到操作过程中的故障，并能做出正确判断和处理的能力，从而可以提高学生在大赛中应对突发事故或异常情况的能力。

3 结语

精馏操作的基本要求是使设备具有尽可能大的生产能力，达到预期的分离效果，且操作费用最低。影响精馏装置稳态、高效操作的主要因素包括操作压力、进料组成和热状况、塔顶回流等。掌握精馏设备主要工艺参数之间的联系及调节控制方法，并能够针对操作运行中遇到的事故采取正确方法进行分析和处理，才能使精馏生产过程稳定、安全、高效，在大赛中才能取得优异成绩。