探索精餾塔塔頂溫度控制方案在精餾實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

陳湘玲 康勇 張鵬

摘? 要 塔頂溫度控制在技術(shù)中占據(jù)重要地位，對產(chǎn)品純度的控制起著至關(guān)重要的作用。針對單一的塔頂溫度控制方案在精餾實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題，以提純酒精溶液為例，探索三種塔頂溫度控制方案在精餾實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 精餾塔;精餾實訓(xùn)教學(xué);塔頂溫度控制;酒精溶液;控制系統(tǒng)

中圖分類號：G718.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）09-0128-04

0? 引言

精餾過程是現(xiàn)代化工生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)過程，目的是利用混合液中各組分揮發(fā)度的不同將各組分進行分離，并達到規(guī)定的純度要求。精餾過程用到的核心設(shè)備是精餾塔，具有多輸入、多輸出、多干擾量的特點。因此，精餾操作過程中需要控制的量及可調(diào)節(jié)的量較多，且各變量之間存在相互關(guān)聯(lián)[1]，如圖1所示。為了達到分離提純的目的，在精餾塔的操作中應(yīng)當采取適宜的控制方案以控制塔頂或塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量。

上海石化工業(yè)學(xué)校精餾過程所用的原料為15 wt酒精溶液，目的是在塔頂?shù)玫礁呒兌染凭a(chǎn)品。對于二元組分，在精餾塔總壓一定的情況下，塔頂溫度是餾出液組成的直接反映[2]。因此，本文主要探索以塔頂溫度為被控變量的控制方案，以及它在精餾實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1? 單一的塔頂溫度控制方案在精餾實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題

1.1? 控制通道較長，溫度控制滯后大

上海石化工業(yè)學(xué)校精餾實訓(xùn)過程中采用的控制方案是間接質(zhì)量控制，即以塔頂溫度為被控變量、以塔釜加熱量為操縱變量的簡單控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)塔釜加熱量來控制塔頂溫度，進而達到控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的目的。但此簡單控制系統(tǒng)的控制通道較長，當塔釜加熱量變化后，塔頂溫度并不能立即變化，即存在較明顯的控制滯后現(xiàn)象，塔頂溫度不能得到及時有效的控制。

1.2? 控制方案單一，控制質(zhì)量不佳

在精餾實訓(xùn)過程中，影響塔頂產(chǎn)品質(zhì)量指標的干擾因素較多，如進料量或進料成分的波動、再沸器加熱蒸汽壓力的波動、塔頂壓力的變化、冷卻劑冷卻器內(nèi)除去熱量的變化及環(huán)境溫度的變化等。僅采用單一的以塔釜加熱量為調(diào)節(jié)變量來控制塔頂溫度，其抗干擾能力較差，塔頂產(chǎn)品的控制質(zhì)量不佳[3]。

2? 探索精餾塔塔頂溫度控制方案及其在精餾實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

筆者針對現(xiàn)階段精餾實訓(xùn)中塔頂溫度控制方案存在的問題，通過分析影響塔頂溫度的主要因素，探索改進精餾塔塔頂溫度的控制方案，并將其應(yīng)用于精餾實訓(xùn)教學(xué)中，希望能提高學(xué)生對塔頂溫度的精準控制，得到產(chǎn)量多、純度高的酒精產(chǎn)品。圖2即為以酒精溶液為原料液的精餾過程示意圖。

在精餾塔塔板數(shù)一定的情況下，影響塔頂溫度的因素主要包括回流量、原料的進料狀態(tài)、塔釜加熱量、塔壓等[2]。結(jié)合圖1可知，回流量直接影響塔頂溫度，經(jīng)塔頂出來的餾出物經(jīng)過冷卻器后變?yōu)闇囟容^低的冷凝液，因此增加回流量在一定程度上能達到控制塔頂溫度、增加塔頂產(chǎn)品濃度的目的。此外，為了保證塔頂產(chǎn)品的產(chǎn)量，還需綜合考慮進料量、塔壓、塔釜采出量和塔頂餾出液的控制。

下面，筆者主要以塔頂溫度為被控變量，探索幾種塔頂溫度控制方案在精餾實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1? 以回流量為操縱變量的塔頂溫度控制

在精餾實訓(xùn)教學(xué)中，由于以塔釜加熱量為操縱變量的塔頂溫度控制方案存在控制通道長、控制滯后大的現(xiàn)象。筆者讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)的簡單控制系統(tǒng)知識，在圖2中畫出以塔頂溫度為被控變量、以回流量為操縱變量的簡單溫度控制方案。圖3所示即為以回流量為操縱變量的簡單溫度控制示意圖。上海石化工業(yè)學(xué)校精餾實訓(xùn)教學(xué)是以酒精溶液為原料的常壓精餾操作，因此，預(yù)先設(shè)定塔頂溫度的目標值為78.3 ℃，通過比較塔頂溫度實際值與目標值的差值，學(xué)生可以合理有序地調(diào)整回流量的大小，進而達到對塔頂溫度的穩(wěn)定控制。

2.2? 塔頂溫度和循環(huán)冷卻水流量的串級控制

以回流量為塔頂溫度的控制方案簡單易行，但當塔頂冷凝器的循環(huán)冷卻水流量發(fā)生波動時，導(dǎo)致回流罐中的冷凝液不足時，上述的塔頂溫度控制方案就有發(fā)生滯后的現(xiàn)象。因此，當循環(huán)冷卻水在傳熱過程中不存在相變化時，可設(shè)計塔頂溫度和循環(huán)冷卻水流量的串級控制，用以克服循環(huán)冷卻水故障帶來的滯后現(xiàn)象。圖4即為串級控制方案示意圖[4]。

在精餾實訓(xùn)教學(xué)中，為了讓學(xué)生更好地理解并應(yīng)用串級控制方案，筆者設(shè)計三個活動，讓學(xué)生由淺入深完成串級控制方案在精餾實訓(xùn)過程中的應(yīng)用，具體教學(xué)流程如圖5所示。

活動一：思考塔頂溫度的控制方法。影響塔頂溫度的因素很多，除了回流量以外，回流溫度也直接影響塔頂溫度，因此可以從控制回流溫度方面著手，通過調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水的流量來控制塔頂溫度。

活動二：繪制串級控制示意圖。學(xué)生通過補充串級控制系統(tǒng)示意圖，能更加清楚地知道串級控制在精餾實訓(xùn)中的應(yīng)用原理，在精餾實訓(xùn)過程中不至于盲目操作。

活動三：現(xiàn)場完成塔頂溫度的穩(wěn)定控制。在精餾實訓(xùn)現(xiàn)場，學(xué)生根據(jù)操作步驟完成精餾實訓(xùn)的準備工作，通過不斷調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水的流量，改變回流量來控制精餾塔溫度的穩(wěn)定。

在精餾實訓(xùn)教學(xué)中，串級控制方案的應(yīng)用既解決了塔頂溫度控制滯后大的問題，也提高了學(xué)生對于塔頂溫度控制的精準性。

2.3? 以塔頂溫度控制為主的精餾段溫度控制

為了得到純度高、產(chǎn)量也高的酒精產(chǎn)品，僅控制塔頂溫度是不夠的，還需綜合考慮進料量、塔壓、再沸器加熱蒸汽的流量、塔頂采出量、塔釜采出量等因素的影響。據(jù)此，設(shè)計圖6所示精餾段溫控方案，并將其應(yīng)用于精餾實訓(xùn)教學(xué)中。由圖6可知，除了以改變回流量作為主要控制手段的塔頂溫度系統(tǒng)以外，還設(shè)有五個輔助控制系統(tǒng)，即：回流罐液位和塔頂采出量的均勻控制;精餾塔液位和塔釜采出量的均勻控制;進料量的控制;塔頂壓力的定值控制;再沸器加熱量的控制。

精餾段溫控方案具有很明顯的優(yōu)點，如塔頂溫度控制準確，能及時克服進料量的變化造成的干擾，塔頂產(chǎn)品的產(chǎn)量多等，但是在精餾實訓(xùn)教學(xué)中控制較復(fù)雜，且對學(xué)生素質(zhì)的要求也較高。

3? 結(jié)語

上述三種控制方案僅針對精餾實訓(xùn)教學(xué)提出，是一次將控制系統(tǒng)的知識融入精餾教學(xué)過程的探索，只適用于對分離純度不高的精餾過程。精餾過程是個復(fù)雜的過程，能應(yīng)用于精餾教學(xué)中的控制方案也層出不窮。隨著計算機控制技術(shù)特別是集散控制系統(tǒng)（DCS）和系統(tǒng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的迅速發(fā)展，且在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用日趨廣泛，計算機控制技術(shù)在精餾塔的控制中的應(yīng)用也在不斷成熟和發(fā)展[5]。筆者期望不久的將來，學(xué)校的精餾實訓(xùn)教學(xué)中也能引進先進的計算機控制技術(shù)，提高精餾控制品質(zhì)，提升學(xué)生對先進控制技術(shù)的應(yīng)用能力。■

參考文獻

[1]厲玉鳴.化工儀表及自動化[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2018.

[2]陳敏恒.化工原理（下冊）[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[3]沈俊.精餾塔再沸器典型溫度控制方案的分析與優(yōu)化[J].化工與醫(yī)藥工程，2015（6）：1-5.

[4]陳義明，孫騰民，李斌，等.精餾塔的工藝控制方案設(shè)計分析[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2019（4）：217-218.

[5]余貴濤.淺析精餾塔自動控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].化工管理，2018（27）：72-73.