精馏塔液位控制系统稳定性分析

2021-06-18范永英

信息记录材料 2021年5期

邢晶，范永英

（乐凯胶片股份有限公司河北保定 071054）

1 引言

新能源材料分公司精馏操作是实现二氯甲烷和石蜡油分离的重要环节，精馏塔液位控制稳定性直接关系到产品的质量和系统能耗[1]。新能源材料分公司精馏设备引自日本公司，用于锂电池隔膜生产过程萃取工段产生的二氯甲烷石蜡油混合液分离处理，实现二氯甲烷循环使用。

2 液位自动控制系统工艺流程介绍

2.1 釜式再沸器

如图1所示，釜式再沸器管程通蒸汽壳程通物料，气液两相分离过程发生在这个壳体之内，再沸器液面通过垂直的隔板保持设定的液位，确保蒸汽管束完全浸没在液体之中，通过蒸汽加热实现气液两相分离[2]。通过液位釜式再沸器液位与底部采出阀进行连锁PID调节实现液位的自动控制。

图1 釜式再沸器Fig.1 Kettle reboiler

2.2 立式热虹吸再沸器

如图2所示，塔体的液相经进口管进入再沸器，由于静压头存在，再沸器的进口压力要大于液体的饱和压力，液体需要加热到对应压力的饱和压力才能汽化，图2中的BC段为显热段，液体在这里被加热，之后的CD段，饱和液体被加热会开始沸腾蒸发，液体变为气液两相流，随后气液两相进入塔釜完成循环[3]。通过液位与底部采出阀连锁PID调节实现自动控制。

图2 立式热虹吸再沸器Fig.2 Vertical Thermosiphon reboiler

立式热虹吸再沸器换热管内的流动和传热过程如图3所示。随着加热量增大，管束内流体状态依次为液流、气泡流、块状流、环状流、喷雾流，其中喷雾流段的传热方式为蒸汽相对流传热，换热效率低，会出现不平稳的脉冲和气阻，并使气相温度升高，降低精馏塔效率。[4]因此应避免出现因加热蒸汽量过大引起的塔体振动和能源浪费。当精馏设备开机时，POS-103塔底温度TIA-1702低，液位容易迅速上升，此时若想尽快稳定液位，通常加大第一再沸器蒸汽用量，此时热虹吸再沸器管束中容易出现喷雾流，所以应控制加热功率，即控制热虹吸再沸器蒸汽用量。

图3 立式热虹吸再沸器管束流体状态和换热状态Fig.3 Fluid state and heat transfer state of Tube Bundle in Vertical Thermosyphon reboiler

2.3 液位控制系统方案

日本公司二氯甲烷石蜡油精馏分离设备选用釜式再沸器与立式热虹吸再沸器结合的方式。如图4所示，精馏设备第一再沸器为立式热虹吸再沸器，第二再沸器为釜式再沸器。首先设定精馏塔额定进料量和第一再沸器蒸汽量，塔底采出阀与液位进行连锁，当反应釜液位高于设定值50%时，采出阀打开，液体进入第二再沸器，第二再沸器温度设定130℃，液体进入后会迅速汽化，气相产物进入POS-103，流向塔顶。液体通过采出阀进入第二再沸器后，再沸器温度降低，通过第二再沸器加热蒸汽阀与温度连锁实现温度可控。若POS-103液位LIC-1701到达100%，则停止加热；若POS-103液位LIC-1701到达0%，则停止进料，从而实现极限保护。

图4 一种精馏设备工艺流程Fig.4 A process flow of rectification equipment

2.4 液位控制系统变量

影响液位控制的变量有：进料量及其状态，第一再沸器蒸汽量，液位与采出阀的PID设计，第二再沸器的蒸汽量与温度的PID设计等。

2.4.1 进料状态

折算为蒸汽变化量：

2.4.2 进料量

二氯甲烷石蜡油混合液进料量稳定是系统稳定的前提，因此日本公司配置了较为准确的科里奥利力质量流量计；用以计量二氯甲烷石蜡油混合液。通过流量计与进料自控阀进行PID自控连锁实现稳定供料。精确度控制在Δm，处理这部分二氯甲烷所需加热量：

折算为蒸汽变化量：

2.4.3 第一再沸器蒸汽量

第一再沸器设定蒸汽量与自控阀进行PID总控连锁，确保稳定供汽。由自控引起的蒸汽量偏差为。当进料状态和进料量稳定时，第一再沸器蒸汽量范围由POS-103塔底采出量决定。当采出量最小时，蒸汽用量最大为；采出量最大时，蒸汽用量最小为，。此时第二再沸器所需加热蒸汽量：。系统允许蒸汽波动范围小于干扰变量引起蒸汽波动时，即当时，系统液位无法稳定。经实践证明，则系统能实现液位自动控制。