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史繼森（1975－）
男，河南洛陽(yáng)人，畢業(yè)于撫順石油學(xué)院過(guò)程自動(dòng)化專業(yè)，
現(xiàn)任中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石油化工工程公司儀電室主任助理，
工程師，一直從事石油化工自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)工作。

　　1 概述

　　石油化工生產(chǎn)常需將液體混合物分離以達(dá)到提純或回收有用組分的目的。分離互溶液體混合物有許多種方法，精餾是廣泛應(yīng)用的一種方法。

　　精餾過(guò)程是由精餾裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，精餾裝置一般是由精餾塔、再沸器(重沸器)、冷凝冷卻器、回流罐及回流泵等組成。如圖1所示。

　　圖1 精餾裝置結(jié)構(gòu)示意圖

　　實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，精餾操作可分為間歇精餾和連續(xù)精餾兩種。石油化工等大型生產(chǎn)過(guò)程主要采用的是連續(xù)精餾。

　　精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量過(guò)程，其內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩，變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對(duì)控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個(gè)極為重要的課題。

　　1.1 精餾塔兩個(gè)基本平衡關(guān)系式

　　影響精餾操作的因素很多，這些影響因素都是通過(guò)物料平衡和能量平衡的形式來(lái)影響精餾操作的。然而，一個(gè)塔的物料平衡與能量平衡之間又是相互影響的?，F(xiàn)以二元精餾過(guò)程為例，說(shuō)明精餾塔的這兩個(gè)基本關(guān)系。

　　1.1.1 物料平衡關(guān)系

　　一個(gè)精餾塔，進(jìn)料和出料應(yīng)保持平衡，即總物料量及任一組分的量應(yīng)符合物料平衡關(guān)系。對(duì)圖1所示精餾塔而言，其物料平衡關(guān)系如下。

　　就總物料平衡關(guān)系而言，平均進(jìn)料量應(yīng)等于塔頂和塔底的平均采出量，即

　　F=D+B (1)

　　對(duì)輕組分而言，進(jìn)料中的輕組分量應(yīng)等于塔頂和塔底輕組分量之和，即

　　Fzf=DxD+BxB (2)

　　由式(1)和式(2)可得

　　xD=F/D(zf-xB)+xB (3)

　　或

　　D/F=(zf-xB)/(xD-xB) (4)

　　式中 F—進(jìn)料流量;

　　D—塔頂采出量;

　　B—塔底采出量;

　　zf—進(jìn)料輕組分含量;

　　xD—塔頂采出輕組分含量;

　　xB—塔底采出輕組分含量。

　　同樣方法也可以求得

　　B/F=(xD-zf)/(xD-xB) (5)

　　從上述關(guān)系可以看出，當(dāng)D/F增加時(shí)，塔頂、塔底采出液中輕組分含量將會(huì)減少，即xD及xB將下降。而當(dāng)B/F增加時(shí)，塔頂、塔底采出液中輕組分含量將會(huì)增大，即xD及xB將上升。

　　然而，在D/F(或B/F)一定，和zf也一定的條件下，卻不能完全確定xD和xB，而只能確定xD和xB之間的一個(gè)比例關(guān)系。也就是說(shuō)要將xD和xB都確定下來(lái)，必須再建立一個(gè)關(guān)系式，這就是能量關(guān)系式。

　　1.1.2 能量平衡關(guān)系

　　在建立能量平衡關(guān)系時(shí)，首先要了解一個(gè)分離度的概念，分離度可以用下式來(lái)表示

　　s=[xD(1-xB)]/[xB(1-xD)] (6)

　　式中，s為分離度。

　　由式(6)可以看出，隨著s的增大，xD會(huì)增大而xB會(huì)減小，這表明塔系統(tǒng)的分離效果增大。

　　影響分離度s的因素很多，諸如平均相對(duì)揮發(fā)度、理論塔板數(shù)、塔板效率、進(jìn)料組分、進(jìn)料板位置以及塔內(nèi)上升蒸汽量V和進(jìn)料量F的比值等。對(duì)于一個(gè)既定的塔來(lái)說(shuō)，s可以近似看成與V/F有關(guān)，即

　　s≈f(V/F) (7)

　　式(7)的函數(shù)關(guān)系也可以用下式表示

　　V/F=βlns (8)

　　或者可以表示成

　　V/F=βln [xD(1-xB)]/[xB(1-xD)] (9)

　　式中，β為塔的特性因子。

　　從式(8)及式(9)可以看出，隨著V/F的增加，s值將會(huì)提高，也就是說(shuō)xD增加而xB下降，分離效果會(huì)提高。由于V是由再沸器提供的熱量來(lái)提高的，所以該式實(shí)際上是表示塔的能量對(duì)產(chǎn)品成分的影響，故稱之為能量平衡關(guān)系式。而且由上述分析可見(jiàn)，V/F的增大，塔的分離效果提高，能耗也將增加。

　　1.2 精餾塔的控制要求

　　精餾塔的控制目標(biāo)應(yīng)是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使塔的總收益(利潤(rùn))最大或成本最小。具體對(duì)一個(gè)精餾塔來(lái)說(shuō)，需從四個(gè)方面考慮，設(shè)置必要的控制系統(tǒng)。

　　1.2.1 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)控制

　　塔頂或塔底產(chǎn)品之一合乎規(guī)定的分離純度，另一端產(chǎn)品成分亦應(yīng)維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。在某些特定的條件下也有要求塔頂和塔底產(chǎn)品均保證一定純度的要求。

　　1.2.2 物料平衡控制

　　塔頂、塔底的平均采出量應(yīng)等于平均進(jìn)料量，而且這兩個(gè)采出量的變動(dòng)應(yīng)該比較緩和，以維持塔的正常平穩(wěn)操作，以及上下工序的協(xié)調(diào)工作。為此，必須對(duì)冷凝液罐(回流罐)和塔釜液位進(jìn)行控制，使其介于規(guī)定的上、下限之間。

　　1.2.3 能量平衡控制

　　應(yīng)使精餾塔的輸入、輸出能量維持平衡，使塔的操作壓力維持穩(wěn)定。

　　1.2.4 約束條件控制

　　為保證精餾塔正常而安全地運(yùn)行，必須使某些操作限制在約束條件之內(nèi)。常用的精餾塔限制條件有液泛限、漏液限、壓力限和臨界溫差限等。所謂液泛限也稱氣相速度限，即塔內(nèi)氣相上升速度過(guò)高時(shí)，霧沫夾帶十分嚴(yán)重，實(shí)際上液相將從下面塔板倒流到上面塔板，產(chǎn)生泛液，破壞正常操作。漏液限也稱最小氣相上升速度限，當(dāng)氣相上升速度小于某一數(shù)值時(shí)，將產(chǎn)生塔板漏液，板效率會(huì)下降。防止液泛和漏液，可通過(guò)塔壓降或壓差來(lái)監(jiān)視氣相速度，一般控制氣相速度在液泛附近略小于液泛點(diǎn)較好。

　　壓力限是指塔的操作壓力限制，一般是最大操作壓力限，就是說(shuō)塔的操作壓力不能過(guò)大，否則會(huì)影響塔內(nèi)的汽液平衡，嚴(yán)重超限甚至?xí)绊懙桨踩a(chǎn)。

　　臨界溫差限主要是指再沸器兩側(cè)的溫差限度，當(dāng)這一溫差高于臨界溫差時(shí)，給熱系數(shù)會(huì)急劇下降，傳熱量也會(huì)隨之下降，將不能保證塔的正常傳熱的需要。

　　2 精餾塔的基本控制方案

　　2.1 被控變量的選擇

　　精餾塔被控變量的選擇，是指精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量控制中被控變量的確定，以及檢測(cè)點(diǎn)的位置等問(wèn)題。通常精餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有兩類：一類是直接質(zhì)量指標(biāo);一類是間接質(zhì)量指標(biāo)。

　　以產(chǎn)品成分這一直接指標(biāo)作為產(chǎn)品質(zhì)量控制的被控變量，應(yīng)該說(shuō)是最為理想的。然而由于成分分析儀測(cè)量過(guò)程滯后比較大，反應(yīng)比較遲緩，尤其是石油化工產(chǎn)品繁多，分析儀表在品種上也難于一一滿足，所以產(chǎn)品按成分信號(hào)進(jìn)行精餾塔的質(zhì)量控制還為數(shù)不多。目前精餾塔質(zhì)量控制的被控變量絕大多數(shù)采用的還是間接質(zhì)量指標(biāo)，其中最為常用的被控變量就是溫度。

　　2.2 精餾塔的基本控制方案

　　精餾塔的控制方案有許多，根據(jù)不同的用途采用不同的控制方案。

　　(1)按一端質(zhì)量指標(biāo)的控制方案;

　　(2)按兩端質(zhì)量指標(biāo)的控制方案;

　　(3)精餾塔的壓力控制;

　　(4)具有側(cè)線抽出的精餾塔控制;

　　(5)精餾塔的液位控制。

　　3 分子篩脫蠟裝置中的精餾塔控制

　　根據(jù)以上對(duì)精餾塔的分析，筆者以分子篩脫蠟裝置脫C10塔為例來(lái)說(shuō)明精餾塔的應(yīng)用。分子篩脫蠟裝置中，脫C10塔的進(jìn)料是C10～C14(正構(gòu)烷烴)，經(jīng)脫C10塔蒸餾后，頂部餾出組分為C10，塔底為C11～C14。由于對(duì)塔頂?shù)漠a(chǎn)品(C10)純度要求較高，脫C10塔采用的是一端質(zhì)量指標(biāo)控制方案中的精餾段控制。

　　3.1 控制方案1

　　物料平衡控制，如圖2所示。本方案中通過(guò)對(duì)物料平衡參數(shù)D(塔頂采出量C10)的調(diào)節(jié)來(lái)保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，并保持塔釜加熱量的恒定且留有余量。

　　控制簡(jiǎn)介：溫度為247℃的C10～C14從脫C10塔第27層塔盤(pán)進(jìn)入，塔底重介質(zhì)經(jīng)重沸器加熱，通過(guò)熱源介質(zhì)恒流控制(FIC07)將塔底介質(zhì)溫度控制在245℃左右(能量平衡控制)。塔底液位采用串級(jí)控制(FIC28，LIC05)，以消除流量波動(dòng)產(chǎn)生的干擾(物料平衡控制)。用第二層塔盤(pán)(溫度186℃)與第八層塔盤(pán)(溫度200℃)溫差(TDIC03)來(lái)控制塔頂采出量C10(質(zhì)量指標(biāo)控制)，為消除流量波動(dòng)干擾也采用串級(jí)控制(TDIC03與FIC17組成串級(jí))?；亓鞴抟何?LIC09)與返塔流量(FIC14)采用串級(jí)控制，將液位控制在一定范圍內(nèi)(物料平衡控制)?；亓鞴迚毫Σ捎梅殖炭刂?PIC29)，通過(guò)穩(wěn)定回流罐壓力來(lái)穩(wěn)定脫C10塔塔頂壓力(能量平衡控制)。

　　控制過(guò)程：當(dāng)塔頂溫度升高時(shí)，測(cè)量信號(hào)增加，經(jīng)過(guò)反作用調(diào)節(jié)器TDIC03后信號(hào)減小，其作為調(diào)節(jié)器FIC17的給定值，使FIC17輸出也減小，調(diào)節(jié)閥FV17開(kāi)度減小，C10采出量減小，此時(shí)FT14的測(cè)量值也減小，通過(guò)正作用調(diào)節(jié)器FIC14，調(diào)節(jié)閥FV14的開(kāi)度增大，返塔流量增大，使塔頂溫度降低，使溫度回到設(shè)定值。

　　這種控制方法可以保持塔的內(nèi)回流基本恒定，有利于塔的穩(wěn)定操作。物料與能量平衡之間關(guān)聯(lián)較小，具有質(zhì)量指標(biāo)對(duì)重沸器加熱量和進(jìn)料熱焓等能量擾動(dòng)不靈敏的優(yōu)點(diǎn)(從上面控制過(guò)程可以看出)，使塔的抗干擾能力增加，對(duì)塔的穩(wěn)定操作有利。該方案還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格時(shí)(塔頂溫度過(guò)高)，質(zhì)量調(diào)節(jié)器(FIC17)可以自動(dòng)關(guān)閉采出閥(FV17)，防止不合格產(chǎn)品的采出，使塔處于全回流操作狀態(tài)，待產(chǎn)品合格后方才恢復(fù)采出，這對(duì)確保塔頂產(chǎn)品質(zhì)量大有好處。如果此方案塔頂回流控制沒(méi)采用流量控制(FIC14)與液位控制(LIC09)串級(jí)，而只采用液位控制的話，該方案就有很大的的缺點(diǎn)即：溫度控制系統(tǒng)滯后較大(塔頂溫度一旦升高，出裝置C10減少，引起回流罐液位上升，回流量要等回流罐內(nèi)液位變化后才跟著變化，反應(yīng)較慢。)，特別是回流罐容積較大時(shí)反應(yīng)更慢，這對(duì)控制是不利的。同時(shí)該方案中選擇塔頂采出作為操作變量，會(huì)給后續(xù)工序帶來(lái)擾動(dòng)。

　　本方案適用于回流比L/D較大，且下一工序可承受較大干擾的場(chǎng)合。由于分子篩脫蠟裝置，C10作為產(chǎn)品直接出裝置，沒(méi)有下道再加工工序，所以本方案比較適用，分子篩脫蠟裝置UOP工藝包對(duì)C10塔的控制采用的就是此種控制方案。

　　圖2 物料平衡控制示意圖

　　

圖3 能量平衡控制示意圖

　　3.2 控制方案2

　　能量平衡控制，如圖3所示。它通過(guò)對(duì)能量平衡參數(shù)L(返塔流量控制)的調(diào)節(jié)來(lái)保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)。塔底加熱量維持恒定并有一定余量，塔頂回流罐和塔釜液位分別通過(guò)對(duì)塔頂和塔底采出量D和B的調(diào)節(jié)維持穩(wěn)定，從而保證物料平衡。

　　控制簡(jiǎn)介：溫度為247℃的C10～C14從脫C10塔第27層塔盤(pán)進(jìn)入，塔底重介質(zhì)經(jīng)重沸器加熱，通過(guò)恒溫控制(FIC07)將塔底介質(zhì)控制在245℃左右。塔底液位采用串級(jí)控制(LIC05與FIC28串級(jí))，以消除流量波動(dòng)產(chǎn)生的干擾，控制塔底采出量(物料平衡控制)，使液位穩(wěn)定。塔頂溫度控制(溫度186℃)與返塔流量控制組成串級(jí)調(diào)節(jié)(TIC01與FIC14串級(jí))以控制回流，進(jìn)而控制產(chǎn)品質(zhì)量(產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)控制)。回流罐液位(LIC09)與塔頂采出流量(FIC17)采用串級(jí)控制，將液位控制在一定范圍內(nèi)，以保證物料的平衡(物料平衡控制)?；亓鞴迚毫Σ捎梅殖炭刂?PIC29)，通過(guò)穩(wěn)定回流罐壓力來(lái)穩(wěn)定脫C10塔塔頂壓力。

　　控制過(guò)程：當(dāng)塔頂溫度升高時(shí)，測(cè)量信號(hào)增加，經(jīng)過(guò)正作用調(diào)節(jié)器TIC01后其信號(hào)增大，其作為調(diào)節(jié)器FIC14的給定值，使FIC14輸出減小，調(diào)節(jié)閥FV14開(kāi)度增大，返塔流量增加，使塔頂溫度恢復(fù)正常。

　　這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量控制回路滯后較小，響應(yīng)比較快(從以上控制過(guò)程可以看出，只要塔頂溫度變化，回流量馬上跟著變化。)，能很快克服精餾段的各種干擾影響，以確保塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。缺點(diǎn)是由于產(chǎn)品質(zhì)量控制(塔頂溫度控制回流)會(huì)使回流量處于經(jīng)常波動(dòng)狀態(tài)，從而使塔的內(nèi)回流不能穩(wěn)定，且物料與能量平衡之間的關(guān)聯(lián)較大，這對(duì)精餾塔的穩(wěn)定操作是不利的。這在溫度控制參數(shù)整定時(shí)應(yīng)該進(jìn)行考慮，且控制器不宜用微分。

　　本控制方案一般適用于回流比L/D較小(例如小于0.8)或某些要求滯后小的場(chǎng)合。

　　另外，還可以看出控制方案1是選擇溫差作為間接質(zhì)量指標(biāo)控制產(chǎn)品質(zhì)量的，這是有一定原因和好處的。在精餾塔中，任一層塔板的溫度都是成分和壓力的函數(shù)，影響溫度變化的因素可以是成分，也可以是壓力。在一般的精餾塔操作中，無(wú)論是常壓塔還是減壓塔，壓力都是維持在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，這樣溫度才與成分有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。但是在精密精餾中，對(duì)產(chǎn)品的純度要求很高(例如本文中脫C10塔，對(duì)C10的純度要求很高)，兩個(gè)組分的相對(duì)揮發(fā)度相差很小，由于成分變化所引起的溫度變化比起壓力變化引起的溫度變化要小得多，微小的壓力波動(dòng)也會(huì)造成明顯的溫度變化。所以在精密精餾時(shí)，用溫度作為被控變量進(jìn)行控制往往得不到好的控制效果，為此應(yīng)該考慮壓力補(bǔ)償以消除壓力微小波動(dòng)對(duì)溫度的影響。

　　圖4所示為正丁烷與異丁烷分離塔以保持塔頂產(chǎn)品純度不變?yōu)榍疤釛l件，在塔壓變化時(shí)各層塔板的溫度變化情況。由圖可以看出，由于塔壓波動(dòng)所引起的各層塔板溫度變化、方向是一致的，而且在塔壓波動(dòng)時(shí)，盡管各層塔板溫度會(huì)有一定的變化，而兩層塔板之間的溫度變化卻非常小。例如塔壓從1.126Mpa改變到1.190Mpa時(shí)，第52層塔板與第65層塔板之間的溫差基本上維持在2.8℃。這就是說(shuō)，在塔壓變化時(shí)，溫差與成分之間保持著對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，可以用溫差作為被控變量來(lái)進(jìn)行控制，保證產(chǎn)品純度符合要求。這就是選擇溫差作為被控變量的理由。

　　選擇溫差信號(hào)作為間接質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)按下述方法來(lái)確定。如果塔頂餾出物是主要產(chǎn)品，那么一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)放在塔頂(或稍下一些)，即溫度變化較小的位置;而另一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)選擇在靈敏板附近，即成分和溫度變化較大、較靈敏的位置。然后取這兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫差Td作為間接質(zhì)量指標(biāo)構(gòu)成控制系統(tǒng)。由于塔壓波動(dòng)對(duì)該兩測(cè)溫度的影響相同(或十分相近)，因此在取兩者溫差時(shí)，其影響就互相抵消了。

　　本文所敘述的精餾塔控制方案1(圖2)就是一個(gè)以溫差為被控變量的C10分離控制方案。該方案采用的是精餾段溫差控制(因?yàn)橹饕a(chǎn)品C10為塔頂餾出物)。測(cè)溫點(diǎn)一點(diǎn)選擇在離塔頂較近的第二層塔盤(pán)(溫度變化比較小)，另一點(diǎn)選擇在第8層塔盤(pán)上。

　　溫差控制存在一個(gè)缺點(diǎn)，就是在進(jìn)料變化大時(shí)會(huì)引起塔內(nèi)成分和壓降的變化。這兩者所引起的溫差卻是前者使溫差減小，而后者是溫差增大。這時(shí)溫差與成分之間就不再呈單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，溫差控制就不能適用。解決這一問(wèn)題的辦法可以用雙溫差控制，由于篇幅有限，這里不再敘述。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　在實(shí)際的工程應(yīng)用上，如果塔頂餾出組分是單一組分而且其純度要求較高時(shí)，一般采用控制方案1;如果塔頂餾出組分不是單一組分而且純度要求不是很高的，采用控制方案2。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的工藝流程選擇合適的控制方案。