精馏塔自动控制系统研究

冯旭 (中沙（天津）石化有限公司 天津

板式精馏塔具有生产能力大、操作稳定、清洗维修简单等优点，被广泛应用于化工生产中对混合物进行分离。在石油精馏过程中，利用石油中不同成分挥发度不同的特点进行多级气化和冷凝可以将石油混合物中的多种组份进行分离。实际应用中会涉及到较多的物质成分精馏和操作步骤处理，故在板式精馏塔的操作和控制过程中要根据实际操作环境和精馏要求采取适当的操作工艺，增强精馏控制效果，保证分离产品的纯度。

一、精馏原理概述

精馏技术就是将需要进行组份分离的混合溶液利用特定的输入装置输入到精馏装置内如精馏塔。在精馏塔内，混合物受到一定的压力、温度等的影响出现组份的分离，进而在精馏塔顶和精馏塔底分别出现含有不同组份的分离物，对塔底的分离物排出或利用回流泵让其重新回到蒸馏塔中进行组份分离、对塔顶的分离物冷凝等操作即可获得相应的生产产品。在石油化工生产中精馏过程需要使用到精馏塔、再沸器、冷凝器、回流泵和回流罐等器材和设备。

用于对混合物进行精馏的精馏塔可以按照如下几种规则进行分类。若根据塔的组成结构对现有精馏塔进行分类可以将其分为板式精馏塔和填充材料塔两种；若根据塔的功能实现对现有精馏塔进行分类可以将其分为二元精馏塔馏塔和多元精馏塔；若根据原料添加方式对现有精馏塔进行分类可以将其分为连续式精馏塔和间歇性精馏塔；若根据可精馏原料对现有精馏塔进行分类可以将其分为一般精馏塔和特殊精馏塔；若根据精馏塔工作压力对现有精馏塔进行分类可以将其分为负压精馏塔、常压精馏塔、高压精馏塔三种。

本文主要研究板式精馏塔工作中不同参数如进料方式、精馏压力、塔釜温度等对精馏操作和控制的要求和影响。

二、板式精馏塔工作约束条件分析

2.1、塔釜温度

通常情况下，当操作压力一定时，提升塔釜温度可以有效提升气化物质的上升速度，进而提高物质传输效率。对塔釜温度控制的操作主要集中在平衡操作方面，无论所获得的产品由塔顶气体冷凝获得，还是由塔釜排出物获得，都应该尽量保证塔釜排出物中易挥发组份维持在较低水平，也就是保证精馏精度，减少物质损失。特别是在塔釜温度的平衡操作过程中若突然出现温度升高等突变情况，而相应的压力未得到及时调整很容易导致塔釜液被蒸空，出现气液组份的变化，致使产品精度变差甚至不合格。

2.2、操作压力

塔釜压力和温度是一对相互关联量，在操作温度确定时，适当的提升塔釜内压力可以有效促进混合物中易挥发物的挥发，进而提高精馏塔的生产效率。但是需要注意的是，在精馏塔的操作过程中应该保证塔釜的压力与温度处于相对稳定的状态，避免出现对操作压力或操作温度额破坏，消除化工生产产品不合格情况的出现。

2.3、加料温度

在对精馏塔进行加料时存在两种情况，分别为冷液进料和饱和蒸汽进料。其中，冷液进料过程中由于加料温度低于加料板温度，一旦物料进入精馏塔便立即进入提馏段，使得提馏段内的负荷增加。饱和蒸汽进料过程中加料温度高于加料板温度，一旦物料进入精馏塔便立即进入精馏段，使得精馏段的负荷增加。在进行产品生产中需要根据生产要求选择和控制适当的加料温度。

2.4、加料量与组份变化

影响精馏塔内蒸气压力、气化水平的另一个关键因素是精馏塔加料量。加料量的不同会直接影响精馏塔内蒸气的含量。若加料量过低，则会降低塔内蒸气速度，提升对塔釜操作的要求精度，操作不当容易使精馏效率下降，这种情况下为保证塔釜工作在正常状态，可适当增大回流比。

加料中的各组份的占比对精馏塔的操作方式以及产品质量同样具有重要影响。若加料中重组份的浓度较高则会对精馏段带来较大的负荷，若加料中易挥发组份浓度较高则会对提馏段带来较大的负荷，在实际操作过程中需要根据各成分的占比制定适当的操作内容，如加料口调整，塔釜温度与压力调整等，保证精馏操作的稳定。

三、精馏塔的操作控制

3.1、变量控制

在精馏塔的操作过程中涉及的变量可被分为操纵变量、被控变量以及干扰变量。其中，操纵变量包含塔底排出物流量、塔顶冷凝液流量、回流量、塔釜加热蒸汽量、冷却量等；被控变量包含塔底液位与产品浓度、塔顶蒸气浓度、塔内压力、贮罐液位等；干扰变量由可控的进料流量、温度与不可控的进料成分、大气压力、环境温度等构成。

三种变量的关系为：操纵变量与被控变量是主从关系，但是两者之间又是相互影响，相互作用的，可通过调节各变量因素使精馏塔处于适当的工作状态。干扰变量则是上述两种变量的一种外部干扰因素，需要通过优化操作控制方式等降低其对整个精馏过程的影响，保证精馏控制系统处于最佳工作状态。

3.2、平衡控制

在精馏过程中需要严格控制精馏塔的物料与能量的平衡，一方面通过控制物料的平衡促进进料中需要分离的产品按照要求得到分离，同时减少塔底排出物中含有需分离产品的浓度；另一方面通过不断调整和干预塔釜内不同参数的状态来解决精馏塔操作过程中积累的多种问题或对塔内状态进行整定。

这种平衡控制通常是由自动控制系统完成的。

3.3、产品成分控制

精馏塔工作效果的最主要衡量指标就是产品的纯度。为保证各产品的纯度必须要通过自动控制系统对精馏过程中的产品流量、回流量、蒸发量等进行监测和控制。常用的产品成分控制方法有温度控制法、分析仪器法和软测量推断控制法。鉴于现代化信息技术在工业控制中得到了广泛应用，且其控制精度较高，实现成本较低，故软测量推断控制法得到了广泛的关注和应用。

3.4、冷凝器与精馏塔压力控制

对于常压塔或负压塔，塔顶冷凝器有气体排出即可保证塔内压力与大气压相同状态或低于大气压，进而使混合物分离。但是对于高压塔，需要设计和使用压力联锁控制回路来控制冷凝器降低精馏塔塔内压力，实现混合物的分离。

4、精馏塔节能优化与控制优化发展方向分析

板式精馏塔虽然装置较为简单，但是在使用生产过程中的能量损耗较大，需要投入的精力和成本较高，不同变量之间存在复杂的相互关系，故必须考虑如何对板式精馏塔进行节能优化和控制优化，在保证产品质量的前提下降低生产运行成本提升经济效益。

在精馏塔的节能和控制优化研究方面，人们主要在工艺流程和操作参数两方面进行了研究。在工艺流程优化方面有：使用高效规整填料替换普通板式填料；优化进料位置；改善冷凝器和再沸器工作状态和工作精度；使用特殊精馏或多效精馏技术替代传统精馏技术等。在操作参数优化方面通常会根据实际精馏系统建立控制模型，进而制定多种离线优化算法对装置进行性能优化。但是对于操作参数的优化复杂度较高，在线优化深度不够，考虑变量较少，优化效果有限。

综合来看，上述优化方案中大部分仍处于实验室或理论分析阶段，还未获得实质性的应用实践。而工程实践中可应用的，对精馏塔的优化主要集中在如何降低精馏塔的能源消耗，提升控制精度和控制效果等内容。如（1）根据实际工作环境和工作状态更加精确的对冷凝器与再沸器的换热效果进行制定，提升产品纯度和品质；（2）优化现有精馏工艺和精馏流程，添加更多更高效的技术到精馏塔精馏过程中；（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对其进行替换；（4）应用计算机技术和传感器技术对精馏塔进行自动化控制，提升各项操作和各平衡节点的精度，全面消除人为操作存在的误差影响。

总结

市场竞争的加剧与现代信息技术特别是集成控制系统的发展使得石油化工生产过程中的精馏塔操作和控制过程引入了先进的计算机控制系统，现代化工业生产控制系统如DCS系统等可以有效提升精馏生产设备的工作效率，降低生产过程所需的能源消耗，控制产品精度和产品质量，推动先进精馏技术在化工精馏中得到应用，促使化工企业向更好更好的方向发展，实现经济效益的持久性提高。

[1]吴昌祥.板式精馏塔的操作[J].化学工程师,2007(9)

[2]杨宇,张斌.在线板式精馏塔设计软件的开发[J].荆门职业技术学院学报,2008,23(3)

[3]薛美盛,祁飞,吴刚,孙德敏.精馏塔控制与节能优化研究综述[J].化工自动化及仪表,2006,33(6)

[4]董强.浅谈精馏塔控制系统及优化[J].中国石油和化工标准与质量,2012,33(9)

[5]张伟.有关精馏塔技术的研究和应用[J].科技传播,2012,04(16)