淺談精餾過程的節(jié)能、控制與優(yōu)化

【摘 要】多角度介紹了精餾過程中的節(jié)能、控制與優(yōu)化策略，對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述，同時指明了未來的可能的發(fā)展方向

【關(guān)鍵詞】精餾過程 節(jié)能 控制優(yōu)化

一、前言

精餾過程是石油煉制、石油化工和其他化工過程中應(yīng)用最為廣泛的傳質(zhì)單元操作過程，也是化工領(lǐng)域能耗最大的單元操作之一。精餾過程效率的提高將會對化工過程產(chǎn)生極大的影響，具有重要的意義。通過機(jī)理建立精餾塔的穩(wěn)態(tài)過程、動態(tài)模型，進(jìn)行對精餾塔的仿真研究、操作研究、控制研究以及優(yōu)化操作數(shù)據(jù)的研究。一方面，對已經(jīng)有的精餾工藝流程的合理改造和挖掘增效有利于；另一方面，較大的加大從在實驗室的小實驗到工業(yè)中大規(guī)模的把倍數(shù)放大，對于減小先進(jìn)的常常也是較為復(fù)雜的精餾節(jié)能開發(fā)過程的周期，在理論上具有很大的研究意義，應(yīng)用上也具有很好的實際指導(dǎo)意義。

二、精餾過程的節(jié)能

（一）熱力學(xué)評價。精餾過程依據(jù)是熱力學(xué)的第二定律，一定要給系統(tǒng)提供一定的能量或者相應(yīng)的功，這一過程才能得以實現(xiàn)，是一個不可逆過程。精餾過程中，所傳遞出的能量或者所做的功大都是以熱能的形式體現(xiàn)。能量被利用的程度中，可以用兩類效率來衡量它，那就是依據(jù)熱力學(xué)第一定律說的熱效率和熱力學(xué)第二定律來說的熱效率。前者只是反映過程中被利用能量的量的多少，反映不出能量在被利用過程中品位轉(zhuǎn)換的變化；后者卻可以反映能量在數(shù)量上和品位上的雙重變化，是能量被利用的綜合反映，反映了過程中能量被綜合有效利用的程度。

（二）推動力分析。從能量的本質(zhì)看，精餾的過程是將物理有效能轉(zhuǎn)化為擴(kuò)散有效能，同樣伴隨著物理有效能的降價和折損。精餾過程的有效能損失是由幾點不可逆性所引發(fā)的：1.流動液體的壓力降；2.幾個不同溫度物之間的熱量的相互流動，或幾個不同溫度物流動熱量的混合；3.濃度不平衡的物流間濃度的相互流動，或各個不同濃度物流的混合。

壓差、溫差和濃度差均是相應(yīng)過程的推動力，推動力越大，則不可逆性越大，有效能損失也越大。因此，減少有效能損失的關(guān)鍵在于減少推動力，精餾過程要求千方百計地減少推動力；但推動力又是實現(xiàn)精餾過程所不可缺少的，保持必要的推動力，精餾過程才能得以進(jìn)行。

（三）精餾過程中的節(jié)能方法。精餾過程中主要的耗能設(shè)備是精餾塔。進(jìn)料前要先加熱到相應(yīng)的溫度，塔底再沸器產(chǎn)生蒸汽來供應(yīng)分量所需要的逆流流體。同樣地，精餾塔對冷量也有較多的需求，蒸汽要凝固降溫，產(chǎn)品要冷卻下來。能在節(jié)能基礎(chǔ)上得到想要的分離效果，有很多種熱集成方法。通過對精餾系統(tǒng)節(jié)能原理的了解，當(dāng)前節(jié)能方法大體可以總結(jié)成幾種：1.利用熱力學(xué)第一定律原理，充分利用和回收過程中其自身的冷能或熱能。例如，進(jìn)行保溫保冷，并收集物流的一部分顯熱和潛能等；2.依據(jù)精餾原理，減小精餾過程中所需要的能量。例如，減少回流比、采納新型塔板或者新型填料塔，來減少壓力降并提升分餾的效率?？刂蒲h(huán)精餾法能夠節(jié)省能源；3.依據(jù)熱力學(xué)第二定律原理，來提高精餾系統(tǒng)的熱力學(xué)效率。

三、精餾過程優(yōu)化

（一）過程優(yōu)化。過程優(yōu)化是生產(chǎn)過程設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵，可以極大提高過程中的經(jīng)濟(jì)效益。在過程系統(tǒng)性能、特點所特定的條件下，找到可以讓系統(tǒng)的性能指標(biāo)或者目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最?。ㄗ畲螅┑脑O(shè)施設(shè)備參數(shù)和操作條件。過程在線優(yōu)化是指對過程建模技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)的操控技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。要在可以滿足安全的生產(chǎn)要求和較好產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，不斷的計算和更新過程的操作條件，讓生產(chǎn)過程一直保持在“最優(yōu)狀態(tài)”。精餾塔是分離過程中分離混合物應(yīng)用最為廣泛的一種設(shè)備，在石油、化工過程生產(chǎn)上有這至關(guān)重要的作用。精餾過程優(yōu)化是使精餾過程得到良好經(jīng)濟(jì)效益的重要手段，可以有效的提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低能量的耗耗。

（二）精餾過程的優(yōu)化模型。過程優(yōu)化必須建立在過程精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，直接影響優(yōu)化結(jié)果的最大原因就是模型的精度。因為精餾的過程具有時變特性，所以，建立實時校正技術(shù)和具有準(zhǔn)確的過程數(shù)學(xué)模型就至關(guān)重要了。一般還要給確定一定的約束條件，以確保優(yōu)化結(jié)果與實際過程之間的協(xié)調(diào)，從而可以及時刪除不符合實際過程的結(jié)果。尋優(yōu)時間是過程優(yōu)化中與實際過程相協(xié)調(diào)的另一個大的影響因素。實際過程中優(yōu)化計算的頻率并不是很高，但是精餾過程數(shù)學(xué)模型的求解時間有點長，所以，一定會影響尋優(yōu)的速度，因此我們需要建立速度快、易解答的精餾過程數(shù)學(xué)模型。

（三）精餾過程的優(yōu)化方法

生產(chǎn)過程設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵之處是過程優(yōu)化，可以極大程度地提升過程的經(jīng)濟(jì)效益。一般，過程優(yōu)化有以下三種基本方法：1.Box的穩(wěn)態(tài)調(diào)優(yōu)技術(shù)；2.在過程數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的優(yōu)化計算方法；3.相似過程動態(tài)模型基礎(chǔ)上的實時辨識調(diào)優(yōu)技術(shù)。目前，在精餾優(yōu)化過程中大多采用在過程數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的優(yōu)化計算方法，即第二個方法。它的原理是把描述過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型當(dāng)做最優(yōu)化的約束條件，采用最優(yōu)化的方法，如用來優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和找出過程的最優(yōu)設(shè)定值的是：線性、非線性規(guī)劃等。因為精餾過程、高度非線性和約束條件都很復(fù)雜，導(dǎo)致它的優(yōu)化問題大部分都是有約束的多變量非線性系統(tǒng)的優(yōu)化問題。因此優(yōu)化問題關(guān)鍵點的其中之一是選用的優(yōu)化算法，我們能選用有約束條件下的優(yōu)化算法、不依賴于模型導(dǎo)數(shù)的算法和非線性算法。

四、結(jié)論

本文介紹了精餾過程中對節(jié)能的分析，精餾過程控制及其優(yōu)化。節(jié)能優(yōu)化、過程優(yōu)化技術(shù)是反映精餾設(shè)備投產(chǎn)后順利達(dá)到設(shè)計要求的重要保障，該技術(shù)的研究也能促進(jìn)反映精餾技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，使其為化工企業(yè)產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉興高.精餾過程的建模、優(yōu)化與控制[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]高鑫.微波強(qiáng)化催化反應(yīng)精餾過程研究[D].天津大學(xué) 2011.

[3]胡澤新，蔣慰孫. 精餾過程的專家控制[J].信息與控制. 1993（02）.

[4]林敏. 精餾塔控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真研究[J].大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報.1990（Z1）.

[5]黃克謹(jǐn)，錢積新，孫優(yōu)賢，周春暉. 精餾控制綜述[J]. 煉油化工自動化. 1993（06）

[6]馬曉華.催化與滲透汽化雙功能膜制備及其反應(yīng)精餾過程的研究[D].華東理工大學(xué) 2012