精餾塔自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

馮旭 (中沙（天津）石化有限公司 天津

板式精餾塔具有生產(chǎn)能力大、操作穩(wěn)定、清洗維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中對(duì)混合物進(jìn)行分離。在石油精餾過(guò)程中，利用石油中不同成分揮發(fā)度不同的特點(diǎn)進(jìn)行多級(jí)氣化和冷凝可以將石油混合物中的多種組份進(jìn)行分離。實(shí)際應(yīng)用中會(huì)涉及到較多的物質(zhì)成分精餾和操作步驟處理，故在板式精餾塔的操作和控制過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際操作環(huán)境和精餾要求采取適當(dāng)?shù)牟僮鞴に?，增?qiáng)精餾控制效果，保證分離產(chǎn)品的純度。

一、精餾原理概述

精餾技術(shù)就是將需要進(jìn)行組份分離的混合溶液利用特定的輸入裝置輸入到精餾裝置內(nèi)如精餾塔。在精餾塔內(nèi)，混合物受到一定的壓力、溫度等的影響出現(xiàn)組份的分離，進(jìn)而在精餾塔頂和精餾塔底分別出現(xiàn)含有不同組份的分離物，對(duì)塔底的分離物排出或利用回流泵讓其重新回到蒸餾塔中進(jìn)行組份分離、對(duì)塔頂?shù)姆蛛x物冷凝等操作即可獲得相應(yīng)的生產(chǎn)產(chǎn)品。在石油化工生產(chǎn)中精餾過(guò)程需要使用到精餾塔、再沸器、冷凝器、回流泵和回流罐等器材和設(shè)備。

用于對(duì)混合物進(jìn)行精餾的精餾塔可以按照如下幾種規(guī)則進(jìn)行分類(lèi)。若根據(jù)塔的組成結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)有精餾塔進(jìn)行分類(lèi)可以將其分為板式精餾塔和填充材料塔兩種；若根據(jù)塔的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有精餾塔進(jìn)行分類(lèi)可以將其分為二元精餾塔餾塔和多元精餾塔；若根據(jù)原料添加方式對(duì)現(xiàn)有精餾塔進(jìn)行分類(lèi)可以將其分為連續(xù)式精餾塔和間歇性精餾塔；若根據(jù)可精餾原料對(duì)現(xiàn)有精餾塔進(jìn)行分類(lèi)可以將其分為一般精餾塔和特殊精餾塔；若根據(jù)精餾塔工作壓力對(duì)現(xiàn)有精餾塔進(jìn)行分類(lèi)可以將其分為負(fù)壓精餾塔、常壓精餾塔、高壓精餾塔三種。

本文主要研究板式精餾塔工作中不同參數(shù)如進(jìn)料方式、精餾壓力、塔釜溫度等對(duì)精餾操作和控制的要求和影響。

二、板式精餾塔工作約束條件分析

2.1、塔釜溫度

通常情況下，當(dāng)操作壓力一定時(shí)，提升塔釜溫度可以有效提升氣化物質(zhì)的上升速度，進(jìn)而提高物質(zhì)傳輸效率。對(duì)塔釜溫度控制的操作主要集中在平衡操作方面，無(wú)論所獲得的產(chǎn)品由塔頂氣體冷凝獲得，還是由塔釜排出物獲得，都應(yīng)該盡量保證塔釜排出物中易揮發(fā)組份維持在較低水平，也就是保證精餾精度，減少物質(zhì)損失。特別是在塔釜溫度的平衡操作過(guò)程中若突然出現(xiàn)溫度升高等突變情況，而相應(yīng)的壓力未得到及時(shí)調(diào)整很容易導(dǎo)致塔釜液被蒸空，出現(xiàn)氣液組份的變化，致使產(chǎn)品精度變差甚至不合格。

2.2、操作壓力

塔釜壓力和溫度是一對(duì)相互關(guān)聯(lián)量，在操作溫度確定時(shí)，適當(dāng)?shù)奶嵘獌?nèi)壓力可以有效促進(jìn)混合物中易揮發(fā)物的揮發(fā)，進(jìn)而提高精餾塔的生產(chǎn)效率。但是需要注意的是，在精餾塔的操作過(guò)程中應(yīng)該保證塔釜的壓力與溫度處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，避免出現(xiàn)對(duì)操作壓力或操作溫度額破壞，消除化工生產(chǎn)產(chǎn)品不合格情況的出現(xiàn)。

2.3、加料溫度

在對(duì)精餾塔進(jìn)行加料時(shí)存在兩種情況，分別為冷液進(jìn)料和飽和蒸汽進(jìn)料。其中，冷液進(jìn)料過(guò)程中由于加料溫度低于加料板溫度，一旦物料進(jìn)入精餾塔便立即進(jìn)入提餾段，使得提餾段內(nèi)的負(fù)荷增加。飽和蒸汽進(jìn)料過(guò)程中加料溫度高于加料板溫度，一旦物料進(jìn)入精餾塔便立即進(jìn)入精餾段，使得精餾段的負(fù)荷增加。在進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)中需要根據(jù)生產(chǎn)要求選擇和控制適當(dāng)?shù)募恿蠝囟取?/p>

2.4、加料量與組份變化

影響精餾塔內(nèi)蒸氣壓力、氣化水平的另一個(gè)關(guān)鍵因素是精餾塔加料量。加料量的不同會(huì)直接影響精餾塔內(nèi)蒸氣的含量。若加料量過(guò)低，則會(huì)降低塔內(nèi)蒸氣速度，提升對(duì)塔釜操作的要求精度，操作不當(dāng)容易使精餾效率下降，這種情況下為保證塔釜工作在正常狀態(tài)，可適當(dāng)增大回流比。

加料中的各組份的占比對(duì)精餾塔的操作方式以及產(chǎn)品質(zhì)量同樣具有重要影響。若加料中重組份的濃度較高則會(huì)對(duì)精餾段帶來(lái)較大的負(fù)荷，若加料中易揮發(fā)組份濃度較高則會(huì)對(duì)提餾段帶來(lái)較大的負(fù)荷，在實(shí)際操作過(guò)程中需要根據(jù)各成分的占比制定適當(dāng)?shù)牟僮鲀?nèi)容，如加料口調(diào)整，塔釜溫度與壓力調(diào)整等，保證精餾操作的穩(wěn)定。

三、精餾塔的操作控制

3.1、變量控制

在精餾塔的操作過(guò)程中涉及的變量可被分為操縱變量、被控變量以及干擾變量。其中，操縱變量包含塔底排出物流量、塔頂冷凝液流量、回流量、塔釜加熱蒸汽量、冷卻量等；被控變量包含塔底液位與產(chǎn)品濃度、塔頂蒸氣濃度、塔內(nèi)壓力、貯罐液位等；干擾變量由可控的進(jìn)料流量、溫度與不可控的進(jìn)料成分、大氣壓力、環(huán)境溫度等構(gòu)成。

三種變量的關(guān)系為：操縱變量與被控變量是主從關(guān)系，但是兩者之間又是相互影響，相互作用的，可通過(guò)調(diào)節(jié)各變量因素使精餾塔處于適當(dāng)?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)。干擾變量則是上述兩種變量的一種外部干擾因素，需要通過(guò)優(yōu)化操作控制方式等降低其對(duì)整個(gè)精餾過(guò)程的影響，保證精餾控制系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。

3.2、平衡控制

在精餾過(guò)程中需要嚴(yán)格控制精餾塔的物料與能量的平衡，一方面通過(guò)控制物料的平衡促進(jìn)進(jìn)料中需要分離的產(chǎn)品按照要求得到分離，同時(shí)減少塔底排出物中含有需分離產(chǎn)品的濃度；另一方面通過(guò)不斷調(diào)整和干預(yù)塔釜內(nèi)不同參數(shù)的狀態(tài)來(lái)解決精餾塔操作過(guò)程中積累的多種問(wèn)題或?qū)λ?nèi)狀態(tài)進(jìn)行整定。

這種平衡控制通常是由自動(dòng)控制系統(tǒng)完成的。

3.3、產(chǎn)品成分控制

精餾塔工作效果的最主要衡量指標(biāo)就是產(chǎn)品的純度。為保證各產(chǎn)品的純度必須要通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)精餾過(guò)程中的產(chǎn)品流量、回流量、蒸發(fā)量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。常用的產(chǎn)品成分控制方法有溫度控制法、分析儀器法和軟測(cè)量推斷控制法。鑒于現(xiàn)代化信息技術(shù)在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，且其控制精度較高，實(shí)現(xiàn)成本較低，故軟測(cè)量推斷控制法得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

3.4、冷凝器與精餾塔壓力控制

對(duì)于常壓塔或負(fù)壓塔，塔頂冷凝器有氣體排出即可保證塔內(nèi)壓力與大氣壓相同狀態(tài)或低于大氣壓，進(jìn)而使混合物分離。但是對(duì)于高壓塔，需要設(shè)計(jì)和使用壓力聯(lián)鎖控制回路來(lái)控制冷凝器降低精餾塔塔內(nèi)壓力，實(shí)現(xiàn)混合物的分離。

4、精餾塔節(jié)能優(yōu)化與控制優(yōu)化發(fā)展方向分析

板式精餾塔雖然裝置較為簡(jiǎn)單，但是在使用生產(chǎn)過(guò)程中的能量損耗較大，需要投入的精力和成本較高，不同變量之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系，故必須考慮如何對(duì)板式精餾塔進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化和控制優(yōu)化，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)運(yùn)行成本提升經(jīng)濟(jì)效益。

在精餾塔的節(jié)能和控制優(yōu)化研究方面，人們主要在工藝流程和操作參數(shù)兩方面進(jìn)行了研究。在工藝流程優(yōu)化方面有：使用高效規(guī)整填料替換普通板式填料；優(yōu)化進(jìn)料位置；改善冷凝器和再沸器工作狀態(tài)和工作精度；使用特殊精餾或多效精餾技術(shù)替代傳統(tǒng)精餾技術(shù)等。在操作參數(shù)優(yōu)化方面通常會(huì)根據(jù)實(shí)際精餾系統(tǒng)建立控制模型，進(jìn)而制定多種離線(xiàn)優(yōu)化算法對(duì)裝置進(jìn)行性能優(yōu)化。但是對(duì)于操作參數(shù)的優(yōu)化復(fù)雜度較高，在線(xiàn)優(yōu)化深度不夠，考慮變量較少，優(yōu)化效果有限。

綜合來(lái)看，上述優(yōu)化方案中大部分仍處于實(shí)驗(yàn)室或理論分析階段，還未獲得實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用實(shí)踐。而工程實(shí)踐中可應(yīng)用的，對(duì)精餾塔的優(yōu)化主要集中在如何降低精餾塔的能源消耗，提升控制精度和控制效果等內(nèi)容。如（1）根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境和工作狀態(tài)更加精確的對(duì)冷凝器與再沸器的換熱效果進(jìn)行制定，提升產(chǎn)品純度和品質(zhì)；（2）優(yōu)化現(xiàn)有精餾工藝和精餾流程，添加更多更高效的技術(shù)到精餾塔精餾過(guò)程中；（3）分析板式塔在原料填充方面存在的缺陷和不足，使用更加高效的填充材料對(duì)其進(jìn)行替換；（4）應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)對(duì)精餾塔進(jìn)行自動(dòng)化控制，提升各項(xiàng)操作和各平衡節(jié)點(diǎn)的精度，全面消除人為操作存在的誤差影響。

總結(jié)

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇與現(xiàn)代信息技術(shù)特別是集成控制系統(tǒng)的發(fā)展使得石油化工生產(chǎn)過(guò)程中的精餾塔操作和控制過(guò)程引入了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)如DCS系統(tǒng)等可以有效提升精餾生產(chǎn)設(shè)備的工作效率，降低生產(chǎn)過(guò)程所需的能源消耗，控制產(chǎn)品精度和產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)先進(jìn)精餾技術(shù)在化工精餾中得到應(yīng)用，促使化工企業(yè)向更好更好的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的持久性提高。

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