精餾塔的控制方法淺析

徐國峰

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東　濟(jì)南　250101)

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化工機(jī)械

精餾塔的控制方法淺析

徐國峰

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101)

介紹了精餾塔的一般調(diào)節(jié)方法，分別闡述了精餾塔塔壓的控制方法、塔釜溫度的控制方法、塔頂溫度的控制方法、塔釜液面的控制方法。闡述了加壓塔和常壓塔塔壓的調(diào)節(jié)方法；介紹了通過控制塔釜蒸汽進(jìn)氣量控制塔釜溫度；闡明了控制回流量和回流溫度控制塔頂溫度的方法；介紹了塔釜液面穩(wěn)定的重要性以及如何控制塔釜液面穩(wěn)定的方法。最后闡明了塔的能夠維持正常操作的其它的約束條件。

精餾塔；控制

精餾是石油加工中使用最廣泛的分離單元之一，是工業(yè)上應(yīng)用最廣的液體混合物分離操作，普遍應(yīng)用于石油、化工、輕工、食品、冶金等部門。精餾塔設(shè)計的好壞，對于能耗的節(jié)省，公用工程的節(jié)約起著至關(guān)重要的作用，因此精餾塔設(shè)計一直是化工設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。在精餾塔的設(shè)計過程中，塔的控制方案決定了精餾塔能否安全穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)品能否滿足要求。精餾塔的常用的控制方案主要有控制塔壓、釜溫、頂溫、塔釜液面四個變量的控制[1-3]。

1　精餾操作中塔壓的控制調(diào)節(jié)方法

塔的壓力是精餾塔主要的控制指標(biāo)之一。任何一個精餾塔的操作，都應(yīng)當(dāng)把塔壓控制在規(guī)定的指標(biāo)內(nèi)，以相應(yīng)地調(diào)節(jié)其它參數(shù)。塔內(nèi)壓力較大的波動，將會破壞全塔的物料和氣液平衡，產(chǎn)品質(zhì)量難以滿足要求。所以，許多精餾塔都有其具體的措施，確保塔壓穩(wěn)定在適宜范圍內(nèi)。

對于加壓塔的塔壓，主要有以下三種調(diào)節(jié)方法：

(1)塔頂為分冷凝器時，塔頂壓力通常通過控制氣相采出量來調(diào)節(jié)的，如圖1所示。在其它條件不變的情況下，氣相采出量與塔壓成反比，采出量增大，塔壓下降，采出量減小，塔壓上升。

圖1　氣相采出量控制塔頂壓力Fig.1　Tower pressure control by gas phase recovery

比如在MTBE裝置中脫異丁烷塔頂壓力通過塔頂氣相壓力變送器控制塔頂氣相出口調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)出口氣量，達(dá)到塔頂壓力，如圖2所示。與圖1不同的是，出口調(diào)節(jié)閥在冷凝器之前，通過控制進(jìn)入冷凝器的進(jìn)氣量調(diào)節(jié)塔頂壓力[4]。

圖2　MTBE裝置中脫異丁烷塔塔頂壓力控制Fig.2　Deisobutanizer tower pressure control of MTBE unit

(2)塔頂冷凝器為全凝器時，塔頂壓力通常依靠冷劑量的大小來調(diào)節(jié)，本質(zhì)是通過改變回流液溫度達(dá)到調(diào)節(jié)目的，如圖3所示。在其它條件不變的前提下，增加冷劑量，則回流液的出口溫度降低，導(dǎo)致塔壓降低；相反，若減少冷劑量，回流液出口溫度上升，進(jìn)一步導(dǎo)致塔壓上升。

(3)熱旁通(浸沒式)法調(diào)節(jié)塔壓。

對于常壓塔的壓力控制，主要有以下三種方法：

(1)對塔頂壓力在穩(wěn)定性要求不嚴(yán)格的話，可以不安裝壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般在相應(yīng)的精餾設(shè)備上安裝一個通大氣的管道，使得塔內(nèi)壓力與大氣壓一致。

(2)當(dāng)塔頂壓力需要嚴(yán)格的穩(wěn)定或者塔頂物料與大氣接觸影響產(chǎn)品質(zhì)量時，塔頂壓力一般采用加壓塔塔壓的控制方法，如圖1、圖3。

圖3　冷劑量控制塔頂壓力Fig.3　Tower pressure control by Cold dose

圖4　調(diào)節(jié)蒸汽量控制塔釜壓力Fig.4　Tower bottom pressure control by adjusting the steam

(3)塔釜的氣相壓力一般用控制塔釜加熱蒸汽量的方法來調(diào)節(jié)，如圖4所示。

2　精餾操作中塔釜溫的控制調(diào)節(jié)方法

塔釜溫度是由塔釜壓力和物料成分決定的。精餾過程中，只有保持規(guī)定的釜溫，才能分理出需要的產(chǎn)品。塔釜溫度是精餾操作中重要的控制指標(biāo)之一。

一般通過調(diào)節(jié)進(jìn)入塔釜的蒸汽進(jìn)氣量調(diào)節(jié)塔釜溫度的波動，使釜溫穩(wěn)定，見圖5、圖6。

圖5　釜溫?zé)釀┝髁看壵{(diào)節(jié)Fig.5　Kettle temperature agent flow cascade control

圖6　釜溫的調(diào)節(jié)Fig.6　Kettle temperature regulation

當(dāng)釜溫比規(guī)定值高時，通過調(diào)節(jié)閥減少蒸汽用量，使得塔釜液體減少汽化量，使釜液中輕組分的含量相對增加，泡點(diǎn)降低，釜溫降低。當(dāng)釜溫比規(guī)定值低時，通過調(diào)節(jié)閥增加蒸汽盡量，提高釜液的汽化量，使釜液中重組分的含量相對增加，泡點(diǎn)提高，釜溫提高[5]。其它的釜溫控制方法分別見圖7、圖8。

圖7　釜溫調(diào)節(jié)與液位調(diào)節(jié)的關(guān)聯(lián)Fig.7　Kettle temperature adjustment

圖8　提餾段某兩板間溫差控制釜溫Fig.8　Stripping film clip temperature difference and level adjustment between the two plate kettle temperature control

除了塔釜溫度控制蒸汽進(jìn)氣量調(diào)節(jié)塔釜溫度外，塔頂氣相壓力在壓力高高的時候也可以調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)氣量維持塔頂壓力穩(wěn)定同時，也調(diào)節(jié)塔釜溫度，一般壓力高高的調(diào)節(jié)通過安全儀表系統(tǒng)(SIS系統(tǒng))直接切斷蒸汽進(jìn)氣量保護(hù)設(shè)備安全。比如惠煉二期MTBE項目脫異丁烷塔、丁烯-1塔頂壓力在高高報警的同時觸發(fā)SIS系統(tǒng)，直接切斷蒸汽進(jìn)氣閥保護(hù)設(shè)備，避免壓力過高對設(shè)備造成傷害。

3　精餾操作中塔頂溫的控制調(diào)節(jié)方法

塔頂溫度在控制產(chǎn)品質(zhì)量方面具有重要作用。塔壓不變的前提下，塔頂溫度升高，會引起塔頂重組分含量增加，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不能滿足要求。

塔頂溫度通過以下兩種方法進(jìn)行調(diào)節(jié)：一是穩(wěn)定回流溫度，控制回流量；二是穩(wěn)定回流量，控制回流溫度。通常為了維護(hù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，大部分裝置通過調(diào)節(jié)回流量的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體的調(diào)節(jié)方法如下：

(1)調(diào)節(jié)回流大小，進(jìn)行塔頂溫度控制，見圖9。增加回流量，塔頂溫度降低，此種做法多在塔頂為全凝器時采用。

圖9　回流量控制頂溫Fig.9　Tower temperature control by quantity of reflux

(2)當(dāng)塔頂?shù)睦鋭┰诶鋮s傳熱過程中存在相變化時，可以通過冷劑的氣相壓力和塔頂溫度串級控制頂溫，見圖10。當(dāng)氣相壓力降低，與氣相平衡對應(yīng)的溫度同時降低。這種方法在塔頂冷凝器為分凝器時可以改變回流量；在塔頂冷凝器有過冷作用時，又可以用來改變回流溫度。

圖10　冷劑的蒸發(fā)壓力與頂溫串級調(diào)節(jié)控制頂溫Fig.10　Tower top temperature control by Refrigerant evaporating pressure and the top temperature cascade

當(dāng)塔頂?shù)睦鋭┰趥鳠徇^程中不存在相變化時，可通過冷劑的流量和塔頂溫度串級調(diào)節(jié)塔頂溫度，見圖11。如增加流量，降低塔頂溫度。這種方法既可改變回流量，又可改變回流溫度。

圖11　冷劑流量與頂溫串級調(diào)節(jié)控制頂溫Fig.11　Tower top temperature control by Refrigerant flow rate and the top temperature cascade

(4) 通過控制塔頂冷凝器的換熱面積對塔頂溫度的調(diào)節(jié)也是常用方法之一，一般通過提高冷劑液面，使得液相接觸的換熱面積增加達(dá)到降低塔頂溫度的效果，這種方法既可改變回流量，又可改變回流溫度，見圖12。

圖12　塔頂冷凝器的換熱面積調(diào)節(jié)頂溫Fig.12　Tower top temperature control by regulating the heat transfer area of the condenser

(5)一般精餾段的濃度較高時，可以通過調(diào)節(jié)某兩板間的溫差來調(diào)節(jié)塔頂溫度，溫差變大，回流液量也加大，降低塔頂溫度。

圖13　精餾段某兩板間的溫差來調(diào)節(jié)頂溫Fig.13　Tower top temperature control by adjusting distillation film clip the temperature difference between the two plates

4　精餾操作中釜液面的控制調(diào)節(jié)方法

維持塔釜液面的穩(wěn)定是保證精餾塔平穩(wěn)操作的重要手段。塔釜液面穩(wěn)定，是塔釜的傳熱是否平穩(wěn)，由此決定塔釜的上升蒸汽量、塔釜溫度、塔釜液成分是否穩(wěn)定。

釜液液位的調(diào)節(jié)，多數(shù)是通過塔釜出口液排放量進(jìn)行控制。釜液面增高，控制出口調(diào)節(jié)閥，加大排液量；釜液液位降低，控制出口調(diào)節(jié)閥，減少排出量，如圖14所示。也有用加熱釜的熱劑量來控制釜液面的，見圖14，釜液面增高，熱劑量加大。

圖14　釜液的排出量控制塔釜液面Fig.14　Tower kettle liquid level control by the discharge of liquid

圖15　用加熱釜的熱劑量控制釜液面Fig.15　Tower kettle liquid level control by heating reactor thermal dose

5　結(jié)　語

塔的控制系統(tǒng)還需要滿足一定的約束條件，以保證塔能正常操作、精餾過程平穩(wěn)運(yùn)行。如：塔內(nèi)汽液兩相流速在一定范圍內(nèi)，不能過高，引起泛液；也不能過低，引起塔板漏液、板效率大幅度下降；塔的操作壓力、再沸器加熱溫差、加熱蒸汽冷凝量和冷凝器冷卻溫差等，都有一定的限制。

[1]王丹.精餾塔的控制探討[J].石化技術(shù),2015(4):39-40.

[2]李紅海,姜奕.精餾塔設(shè)備的設(shè)計與節(jié)能研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2014,33(1):14-18.

[3]李克景.淺談精餾塔的工藝控制方案設(shè)計[J].石油化工應(yīng)用,2013,33(3):119-124.

[4]陸帥君,徐國峰.MTBE/丁烯-1 裝置精餾塔冷凝方式研究[J].山東化工,2015,44(8):125-127.

[5]嚴(yán)鵬,胡伯嬌.精餾塔工藝操作影響因素分析[J].山東化工,2013,42:112-115.

Analysis of Control Method of Rectification Tower

XU Guo-feng

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co., Ltd., Shandong Jinan 250101, China)

The general regulation method of rectification tower was introduced, expounding the control method of rectification tower pressure, column bottom temperature control method, the tower top temperature control method and column bottom level control method below, respectively. The pressurized column and atmospheric column tower pressure regulating methods were expounded, tower kettle temperature control by the controling tower kettle steam into the air was introduced. The control flow back at the top of the column temperature and reflow temperature control method was illustrated, the importance of the stability of the tower kettle liquid level and the method of how to control tower kettle liquid level stable was introduced. Finally, the tower normal operation of other constraints was illuminated.

rectification tower；control

徐國峰(1983-)男，碩士，工程師，從事煉油、化工及天然氣工程設(shè)計工作。

TE624

A

1001-9677(2016)09-0151-04