淺談精餾塔的工藝控制方案設計

李克景

（中國寰球工程公司華北規劃設計院，河北涿州 072754）

淺談精餾塔的工藝控制方案設計

李克景

（中國寰球工程公司華北規劃設計院，河北涿州 072754）

壓力和溫度是精餾塔控制中比較重要的兩個被控變量，首先對精餾塔的各種壓力控制方案進行了介紹，并說明了它們的適用場合，接著介紹了精餾塔的溫度控制方案。在上述基礎上，給出了精餾塔的幾個基本控制方案，并對原油常壓蒸餾塔的工藝控制方案進行了分析。

精餾塔；工藝控制；方案

精餾過程是在石油化工和煉油生產中被廣泛應用的一種傳質過程，精餾塔是精餾過程中最重要的設備，它是一個極其復雜的對象。精餾塔分離性能的優劣直接決定著產品質量的好壞和裝置能耗的高低。

由于分離過程的工藝要求、操作條件和分離物系特性的不同，精餾的具體過程千差萬別，特別是煉油裝置中的分離塔和化工裝置中的分離塔有著更為顯著的差異，其中，煉油中的常壓蒸餾塔所分離出的側線產品都是具有一定餾程的混和物，因此對產品純度沒有嚴格要求；而化工裝置中的精餾塔產品大多要求達到聚合級，如：乙烯塔、丙烯塔、乙二醇精制塔等。因此，不同工藝過程中的精餾塔需要采用不同的工藝控制方案。此外，精餾塔具有多輸入、多輸出和多干擾變量，且具有極其復雜的內在機理，其動態響應不靈敏，各變量之間存在相互關聯[1]，所以，要實現對精餾塔的精確、平穩、高效和安全控制是一項較為復雜的工作。適宜的精餾塔工藝控制方案能夠優化產品質量、提高產品產量和降低能耗，所以，精餾塔工藝控制方案的設計也是一項極其重要的工作。因此，有必要結合自己的工作經驗來淺談一下精餾塔的工藝控制方案設計。

1 壓力控制

大多數精餾塔的控制系統都是以恒定的塔操作壓力為前提的，塔壓波動會改變氣相負荷和溫度分布，從而使控制難度增加，并降低分離性能。在以溫度控制作為間接質量指標的控制中，壓力保持恒定是至關重要的，有時需要壓力補償，而有效的壓力控制能夠使溫度控制對壓力補償的需求降到最小，同時，能優化操作達到最大產能。壓力控制設計的基礎是：以進、出塔的質量流量或熱流量為操縱變量，即通過調節物料或能量平衡，可以實現對塔的壓力控制。質量流量法是控制塔頂氣體的蓄積量；而熱流量法則是調節塔頂冷凝器的熱通量。塔的壓力控制方案有很多種，現針對不同的工藝情況進行分別介紹。

1.1 常壓或微正壓塔

常壓塔穩定性無嚴格要求和空氣對分離物料無影響時，則不需對其進行壓力控制，只需在回流罐上設置一通大氣的放氣口即可。另外，對于存在不凝氣的微正壓塔來說，也可只設置罐氣相出口調節閥。否則，常壓塔和不存在不凝氣的微正壓塔則應采用如下的壓力控制方案[2]，引入惰性氣體，采用分程控制實現對塔壓的控制，（見圖1）；此外，當冷凝液體中含有一定量的雜質（可溶性氣體）時，宜采用的控制方案（見圖2）。

圖1 壓力控制方案

圖2 壓力控制方案

1.2 加壓塔

1.2.1 存在不凝氣時 在此種情況下，不需要引入不凝氣，通過控制不凝氣的排放量來實現對塔壓的控制，（見圖3）。

圖3 壓力控制方案

1.2.2 無不凝氣時 此工藝情況下，有多種壓力控制方案可供選擇，（見圖 4a、b、c和 d）。其中，圖 4a的控制方案稱為“熱氣體旁路控制”，其具有如下優點：控制回路動態響應快，回流罐位于高處可為回流泵提供較高的NPSH，冷凝器可地面安裝，方便檢修和清洗，調節閥位于管線尺寸較小的熱旁路上，其尺寸可顯著降低，該壓力控制方案已在煉油和石油化工裝置中得到了廣泛應用；當冷凝器為空冷器時，由于回流罐不能位于空冷器之上，將采用如圖4b所示的控制方式，此方案中調節閥設置在空冷器的下游要比上游經濟，此外，控制旁路壓差是為了保持一定的回流罐壓力；圖4c控制方案中，冷凝器設置在回流罐的上方，通過位于凝液管線上的調節閥來調節換熱器中凝液（過冷區，即凝液滯留區）的換熱面積，從而實現對塔壓的控制；此外，圖4d壓力控制是冷凝速率調節控制，是通過調節冷卻水的流量來實現的，該控制具有嚴重的非線性和較遲緩的動態響應，因此它是不被推薦使用的。除上述控制之外，對于汽提塔的壓力控制，也可以通過調節再沸器的加熱速率來實現。

圖4 壓力控制方案

1.3 真空塔

對于真空塔的壓力控制有兩種方式：一是調節抽真空設備的負荷，（見圖5a、b）；二是引入惰性氣體或空氣，（見圖5c）。但對于采用三級噴射器的高度真空蒸餾塔來說，是不需要壓力控制的，如常減壓蒸餾裝置中的減壓塔。

2 溫度控制

圖5 壓力控制方案

精餾塔的質量指標有直接指標和間接指標兩種。直接質量指標控制就是對產品成份的分析控制，但由于產品成份分析儀具有價格高、難維修和動態響應遲緩等缺點，故其在工業上應用較少。間接質量指標控制則是對溫度的控制，溫度控制具有成本低、動態響應靈敏和可靠性高等優點，從而使其在工業中得到了廣泛應用。通過溫度控制質量指標的設計基礎是：當塔壓保持恒定時，溫度與產品組成之間存在著非常好的對應關系。在普通精餾中，對產品純度的要求不高，壓力微小波動給溫度控制帶來的誤差可忽略不計。但在精密精餾（如：苯-甲苯-二甲苯、乙烯-乙烷、丙烯-丙烷精餾等）中[4]，對產品純度的要求很高，由于組份間的相對揮發度非常小，因此壓力波動導致的溫度變化要比成份改變引起的溫度變化大得多，故即使壓力的微小波動也會使精密精餾的溫度控制失效。為了克服壓力波動的干擾，需采用具有壓力補償功能的溫度控制，即溫差控制。

在溫度控制設計中，從理論上講，塔頂溫度能夠最精確的反映塔頂產品的質量，相應地塔底溫度也能最精確的反映塔底產品的質量。精餾塔的塔頂和塔底溫度控制分別（見圖6、圖7）。但此種溫度控制方案很少被采用，僅可用在產品的粗分離中。這是因為：塔頂或塔底附近的各塔板上產品成分比較接近，即溫度變化不明顯，需要配備高靈敏度和高控制精度的溫度檢測儀表，現實中很難達到這一要求。采用靈敏板溫度控制產品的質量指標，可以有效解決上述問題，目前被廣泛采用的精餾段和提餾段靈敏板溫度控制方案（見圖8、圖9）。靈敏板位置可通過逐板計算或化工模擬軟件（如：Proii、Aspen 等）模擬得出[1,3]，因無法準確估計實際塔板效率，另外，塔板效率也會隨著工況的變化而變化，因此，在工業應用時，宜在所計算靈敏板位置的上下預設若干測溫點，根據生產實際來選擇靈敏板測溫點。

圖6 塔頂溫度控制

圖7 塔底溫度控制

圖8 精餾段靈敏板溫度控制

圖9 提餾段靈敏板溫度控制

溫差控制設計中，兩溫度檢測點的選取至關重要。其中一溫度應選取靈敏板溫度，另一溫度作為參比點溫度，則應選取產品組成基本保持不變的塔頂或塔底溫度。由于參比點溫度只受壓力變化的影響而基本不受產品成份改變的影響，而另一靈敏板溫度檢測點既受壓力變化的影響又受產品成份改變的影響，且壓力變化對二者溫度的影響幾乎是相同的，所以溫差控制本質上則是具有壓力補償的靈敏板溫度控制。精餾段溫差控制方案（見圖10）。

圖10 精餾段溫差控制

3 精餾塔的基本控制

3.1 產品質量控制

在采用質量控制方案時，將回流量、餾出量、蒸汽量和釜液量四個參數之一作為控制產品質量的手段，另一參數保持恒定，其余兩參數則通過液位進行控制。依據主要產品采出位置的不同有兩種控制方案，即精餾段控制方案和提餾段控制方案。精餾段控制方案依據調節餾出量或回流量又分為兩種，其中，調節餾出量的精餾段控制方案見（見圖11），該方案的優點是：利于平穩操作，回流比較大時比控制回流量的方案要靈敏，此外，在餾出產品不達標時，采用具有積分功能的控制器，可中斷塔頂餾出量進行全回流來保證產品的質量。溫度-流量的串級控制能迅速克服進入副回路的干擾對系統的不利，可改進系統的動態響應。提餾段控制方案依據調節加熱蒸汽量或釜液量也分為兩種，其中，調節加熱蒸汽量的提餾段控制方案（見圖12），該方案采用蒸汽量作為操縱變量，其動態響應比調節回流量迅速，利于克服提餾段的干擾和確保塔底產品的質量，目前此方案在精餾塔的控制中得到了廣泛應用，由于塔頂回流量采用了定值控制，在設計中要確保回流量能滿足最大負荷下的產品質量要求。

圖12 提餾段產品質量控制

3.2 物料平衡控制

物料平衡控制無質量反饋控制，僅從外圍控制D/F（或B/F）和V/F，使產品滿足工藝要求，保證塔的平穩操作。其適用的工藝場合：（1）對產品質量沒有嚴格要求；（2）進料流量和進料性質變化不顯著、不頻繁。

精餾塔在分離沸點接近的組份時，需要大量的塔板（超過100塊）和較大的回流比（大于10）。在此種情況下，塔頂產品的組成和流量主要受回流比波動的影響。例如，當回流比為10時，回流量增加或減少1%，將導致塔頂產品流量增加或減少10%。因此，在回流率較大的情況下，必須將塔頂產品流量作為操縱變量，此時，可采用如下的物料平衡控制方案，（見圖13）。此外，當塔底釜液產品遠遠小于塔頂餾出產品時，宜選用的物料平衡控制方案（見圖14），其具有很好的控制靈敏度。

圖13 物料平衡控制

圖14 物料平衡控制

4 原油常壓蒸餾塔的工藝控制

原油常壓塔工藝控制采用的是精餾段控制方案，通過改變塔頂回流量來控制塔頂溫度，從而實現間接控制產品質量指標的目的。塔頂采用溫度-回流流量的串級控制，塔頂溫度作為主變量，回流流量作為副變量，當塔頂回流量波動較大時，副控制回路能夠提前對其波動范圍進行控制，從而減小波動對溫度控制的不利影響；常壓塔釜液位和釜液流量構成串級均勻控制回路，塔釜液位作為主變量，控制液位過高或過低，同時使蒸汽與塔釜的儲油充分接觸并確保一定的停留時間，以利于輕餾分的帶出，塔釜流量作為副變量，可減輕流量波動對液位控制的不利影響，有利于實現平穩控制；同時，對過熱蒸汽采用定值控制以穩定汽提作用。常壓塔頂的壓力控制是通過調節分液罐中不凝氣的排出量來實現的。

5 結論

精餾塔具有多輸入、多輸出和多干擾變量，內在機理復雜，再加上工藝過程的復雜性，所以精餾塔工藝控制方案的設計是項相當復雜的工作。因此，要在充分分析工藝機理的基礎上，應針對不同的工藝過程、工藝物系性質、操作條件和產品要求，相應地來設計適宜的精餾塔工藝控制方案。

［1］ 劉興高.精餾過程的建模、優化與控制［M］.北京：科學出版社，2007.

［2］ 尹琨，等.微正壓精餾塔壓力控制方法的研究［J］.化學工業與工程，2012，29（2）：70-73.

［3］ 劉成軍，等.精餾控制系統中靈敏板的求取［J］.石油與天然氣化工，1997，26（3）：179-181.

［4］SHNSKEY FG.Distillation Control［M］.New York:McGraw-Hill，1984.

Brief discussion on process control schemes design for distillation column

LIKejing
（Huabei Institute of HQ Contracting&Engineering Corp.，Zhuozhou Hebei072754，China）

The pressure and temperature are two important variables controlled in distillation column control,firstly,all kinds of pressure control schemes for distillation column are introduced respectively,including the situations applied,and then introduces the temperature control schemes for distillation column.Based on the above mentioned,the basic control schemes for distillation column are indicated,finally process control scheme for the crude oil atmospheric distillation is analyzed.

distillation column；process control；schemes

10.3969/j.issn.1673-5285.2013.03.031

TE962

A

1673-5285（2013）03-0119-06

2013－02-19

李克景，男（1978-），山東菏澤人，畢業于中國石油大學，碩士研究生學歷，注冊化工工程師，現從事石油化工設計工作，已發表論文數篇，郵箱：likejing@hqcec.com。