探索精餾塔塔頂溫度控制方案在精餾實訓教學中的應用

陳湘玲 康勇 張鵬

摘? 要 塔頂溫度控制在技術中占據重要地位，對產品純度的控制起著至關重要的作用。針對單一的塔頂溫度控制方案在精餾實訓教學中存在的問題，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教學中的應用。

關鍵詞 精餾塔;精餾實訓教學;塔頂溫度控制;酒精溶液;控制系統

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

精餾過程是現代化工生產中應用極為廣泛的傳質過程，目的是利用混合液中各組分揮發度的不同將各組分進行分離，并達到規定的純度要求。精餾過程用到的核心設備是精餾塔，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節的量較多，且各變量之間存在相互關聯[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當采取適宜的控制方案以控制塔頂或塔釜產品的質量。

上海石化工業學校精餾過程所用的原料為15 wt酒精溶液，目的是在塔頂得到高純度酒精產品。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，以及它在精餾實訓教學中的應用。

1? 單一的塔頂溫度控制方案在精餾實訓教學中存在的問題

1.1? 控制通道較長，溫度控制滯后大

上海石化工業學校精餾實訓過程中采用的控制方案是間接質量控制，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，通過調節塔釜加熱量來控制塔頂溫度，進而達到控制塔頂產品質量的目的。但此簡單控制系統的控制通道較長，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，控制質量不佳

在精餾實訓過程中，影響塔頂產品質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、冷卻劑冷卻器內除去熱量的變化及環境溫度的變化等。僅采用單一的以塔釜加熱量為調節變量來控制塔頂溫度，其抗干擾能力較差，塔頂產品的控制質量不佳[3]。

2? 探索精餾塔塔頂溫度控制方案及其在精餾實訓教學中的應用

筆者針對現階段精餾實訓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，并將其應用于精餾實訓教學中，希望能提高學生對塔頂溫度的精準控制，得到產量多、純度高的酒精產品。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、塔釜加熱量、塔壓等[2]。結合圖1可知，回流量直接影響塔頂溫度，經塔頂出來的餾出物經過冷卻器后變為溫度較低的冷凝液，因此增加回流量在一定程度上能達到控制塔頂溫度、增加塔頂產品濃度的目的。此外，為了保證塔頂產品的產量，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教學中的應用。

2.1? 以回流量為操縱變量的塔頂溫度控制

在精餾實訓教學中，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、控制滯后大的現象。筆者讓學生結合所學的簡單控制系統知識，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。上海石化工業學校精餾實訓教學是以酒精溶液為原料的常壓精餾操作，因此，預先設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，學生可以合理有序地調整回流量的大小，進而達到對塔頂溫度的穩定控制。

2.2? 塔頂溫度和循環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冷卻水流量發生波動時，導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生滯后的現象。因此，當循環冷卻水在傳熱過程中不存在相變化時，可設計塔頂溫度和循環冷卻水流量的串級控制，用以克服循環冷卻水故障帶來的滯后現象。圖4即為串級控制方案示意圖[4]。

在精餾實訓教學中，為了讓學生更好地理解并應用串級控制方案，筆者設計三個活動，讓學生由淺入深完成串級控制方案在精餾實訓過程中的應用，具體教學流程如圖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，通過調節循環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。學生通過補充串級控制系統示意圖，能更加清楚地知道串級控制在精餾實訓中的應用原理，在精餾實訓過程中不至于盲目操作。

活動三：現場完成塔頂溫度的穩定控制。在精餾實訓現場，學生根據操作步驟完成精餾實訓的準備工作，通過不斷調節循環冷卻水的流量，改變回流量來控制精餾塔溫度的穩定。

在精餾實訓教學中，串級控制方案的應用既解決了塔頂溫度控制滯后大的問題，也提高了學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、產量也高的酒精產品，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。據此，設計圖6所示精餾段溫控方案，并將其應用于精餾實訓教學中。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以外，還設有五個輔助控制系統，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，塔頂產品的產量多等，但是在精餾實訓教學中控制較復雜，且對學生素質的要求也較高。

3? 結語

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

參考文獻

[1]厲玉鳴.化工儀表及自動化[M].北京：化學工業出版社，2018.

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

[3]沈俊.精餾塔再沸器典型溫度控制方案的分析與優化[J].化工與醫藥工程，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計分析[J].中國石油和化工標準與質量，2019（4）：217-218.

[5]余貴濤.淺析精餾塔自動控制系統設計與應用[J].化工管理，2018（27）：72-73.