精餾塔全凝壓力控制方案及使用原則

摘 要 論述了5種常用的精餾塔全凝壓力控制方案，闡述了各方案的壓力控制原理與操作特性，并指出了各方案的優缺點和使用原則。

關鍵詞 精餾塔 壓力 控制方案 使用原則

中圖分類號 TQ053.5" "文獻標志碼 B" "文章編號 0254?6094（2025）02?0333?06

精餾是石化和煉油生產中應用最為廣泛的分離技術，也是工業中最為常見的液體混合物分離操作。精餾塔的工程設計質量對節能降耗和公用工程起著至關重要的作用，因此精餾塔的工程設計一直是化工設計中的重要環節。在精餾塔的操作過程中，進料組成和溫度的改變、塔釜加熱蒸汽量和回流量的調整、回流溫度的設定及制冷劑壓力的波動等都可能引起精餾塔壓力的不穩定，這將引起每層塔板上汽液平衡條件的改變，使得整個精餾塔的正常操作被破壞，最終影響產品質量。因此在精餾塔的設計過程中，精餾塔壓力的控制方案決定了精餾塔能否安全穩定運行，產品質量能否滿足要求。通常，精餾塔壓力控制方案主要包括以下5種：

a. 惰性氣體控制壓力;

b. 調節冷凝器的制冷劑用量;

c. 控制冷凝器的有效面積;

d. 熱旁路的控制方法;

e. 真空裝置控制壓力。

1 惰性氣體控制壓力

1.1 控壓原理

一般在精餾塔全凝或塔頂的不凝性氣體很少的情況下采用惰性氣體控制壓力，即通過補充惰性氣體（一般為氮氣）來控制精餾塔壓力，而少量的不凝性氣體則使用分程控制原理進行周期性的合理排放。惰性氣體控制壓力主要流程如圖1所示，壓力傳感器PC可以設置在氣相管線或塔頂之上，當不凝性氣體積聚或其他原因導致壓力升高后，排氣閥門V2打開，塔頂壓力隨之下降至設定值，而當壓力不足時，則打開惰性氣體閥門V1，塔頂壓力相應升高，以此保證塔頂壓力的穩定。該壓力控制方案通常應用于常壓塔和正壓塔。

1.2 操作特性

惰性氣體控制壓力非常直觀，其主要優點如下：

a. 控制和操作都非常簡單，反應速度也比較快，常用于簡單的工藝流程中;

b. 采用冷凝冷卻器，設備結構和布置比較簡單;

c. 是一種長期使用的成熟控制方案。

缺點如下：

a. 壓力控制器PC為雙程控制，包括N2進入和廢氣排出。由于N2長時間在回流罐氣相空間，必然有一部分溶解在凝液中。而凝液進行回流時必然釋放到塔頂氣相中，這會在冷凝冷卻器頂部形成一層惰性氣體薄膜，導致冷凝傳熱效率降低，冷凝率下降，塔頂壓力升高。此時又將進行排氣，隨后還需要N2補充壓力，如此反復循環將造成塔頂壓力不穩定。另外，雙程控制壓力設定也很重要，它將嚴重影響壓控質量。

b. 不可避免地會造成惰性氣體浪費。

c. 廢氣的排放必然會帶出一定量有機物料，造成塔頂物料損失，收率下降。

d. 中間產品出料中必然溶解一定量惰性氣體，可能會造成下游單元的處理問題。

e. 凝液過冷，溫度不恒定。

該方案中使用的惰性氣體不僅會產生排放等副作用，當涉及有毒有害物質時，還需要考慮增加廢氣處理設備，使得設備投資成本提高。另外，對于大型生產裝置，如果回收的物料會參與前方的反應流程，物料中微量的N經過累積還可能發生不可預見的化學反應，進而對后續的分離造成更為嚴重的影響。因此，該方案通常用于裝置較小或流程較簡單的情況，在大型的工業生產裝置中使用限制較多。

2 調節冷凝器的制冷劑用量

2.1 控壓原理

該方法通過塔頂或氣相管線上的壓力傳感器直接控制冷凝器的制冷劑（通常為冷卻水）用量，以此改變塔頂的冷凝量。其傳熱基本方程為：

Q=KFΔT

式中 F——傳熱面積，m2;

K——傳熱系數，W/（m2·K）;

ΔT——流體平均溫差，K。

通過調節冷卻水流量來控制冷凝率的主要流程如圖2所示（其中，FC為流量控制器）。當塔頂壓力升高時，調節閥開度增加，冷卻水量增加，冷卻水出口溫度下降，ΔT增加，由于F不變，冷凝率增加，則塔壓下降直到設定值，反之亦然。

2.2 操作特性

該方法的優點是操作簡單，調節閥的直徑一般較小，投資成本較低。缺點包括：

a. 冷卻水量與冷凝率之間為非線性關系，且存在滯后現象。套管冷凝器中水流速度需大于1.5 m/s，水在冷凝器中停留時間最好小于45 s，否則滯后更大，影響調節效果。

b. 當塔頂溫度大于60 ℃時，調節冷卻水量可能使冷卻水出口溫度過高導致加快水垢的生成和冷凝器的腐蝕，所以當冷凝器冷凝溫度超過60 ℃時，不宜采用該方法。

c. 對于大型裝置，即冷卻水量、管徑都較大時，通常采用蝶閥作為控制閥，但控制效果并不理想。

3 控制冷凝器的有效面積

3.1 控壓原理

通過冷凝器的有效面積來控制精餾塔壓力的方法也稱為浸沒式冷凝器壓力控制方案，采用調節閥對冷凝器的浸沒面積進行調節，進而實現控壓。調節閥可以設置在塔頂冷凝器與回流罐之間的管線上，俗稱“液相卡脖子”，其主要流程如圖3所示。當塔頂壓力升高時，控制閥的開度增大，冷凝器的有效面積增加，從而加大了塔頂氣相冷凝率，此時塔頂壓力下降直至設定值，反之亦然。由于采用浸沒冷凝器部分面積來進行控壓，故而凝液是過冷狀態。有學者認為，過冷所需面積可考慮在設計余量中，另有學者認為需考慮25%左右余量，因此在實際運用中建議按工藝流程的成熟度進行具體考量。

浸沒式冷凝器壓力控制方案中，調節閥也可以考慮布置在塔頂與冷凝器之間的管線上，可使調節速度更加高效，這種壓力控制方案俗稱為“氣相卡脖子”，其主要流程如圖4所示。該方案通常適用于氣相壓力高、管徑相對較小的工況，但是增大調節閥的尺寸會造成投資加大。

3.2 操作特性

該方案的主要優點如下：

a. 避免了惰性氣體引入;

b. 操作簡單，調節速度相對較快;

c. 冷凝冷卻器設備結構、布置簡單。

缺點如下：

a. 凝液過冷溫度不恒定，冷凝管需從回流罐的底部進入或插入底部，并設置氣相平衡管道，且尺寸不宜太小。

b. 進料量組成變化或塔釜上升蒸汽量變化會引起塔頂氣量變化，導致控壓不穩定。例如，當塔頂氣量增加而導致塔頂壓力增大，調節閥便會開大，冷凝冷卻器浸沒面積減小，凝液溫度升高，回流罐內壓力升高。此時回流罐壓力對調節閥開度打開起到了反制作用。這種負偏差沒有很好的處理方法，因此造成塔壓不穩定。

c. 在布置冷凝器的液相出口管道時必須考慮液體的重力流，并注意調節閥的尺寸需與管道壓降匹配。

4 熱旁路的控制方法

4.1 單調節閥熱旁路控壓方案

4.1.1 控壓原理

熱旁路控制系統是指除了在精餾塔的塔頂氣相出料采用冷凝器冷卻后進入回流罐外，還會再增加一根帶有控制閥的旁路管線。通常在布置時冷凝器位于回流罐的下方平臺，也有直接置于地面的。這種采用浸沒式的方法結合溫度較高的旁路進行調節，壓力傳送器可以設置在塔頂或氣相出口管線上，其主要流程如圖5所示。通過熱旁路調節閥的開度調整氣相流量，進而調節冷凝器的浸沒面積，以此達到控壓目的。例如，當壓力高于設定值時，調節閥關小，回流罐的壓力會因為溫度的降低而減小，冷凝器側受壓差影響將減小浸沒面積，從而增大冷凝效率而降低塔壓，直至達到設定值，反之亦然。

4.1.2 操作特性

通常冷凝器布置在回流罐下方3～5 m。該方案適用于大型冷凝器，特別是組合式大型冷凝器裝置控壓，這是因為它消除了巨大冷凝器所需的支撐結構，也不需要巨型冷卻水管道設置在較高位置上，不僅降低了設備和管道安裝投資費用，也節約了維修費用。

4.1.3 使用范圍

對于壓力較高且餾出液為窄餾分的情況，當氣溫驟變（如下雨等）對控制造成干擾時，雖然氣體管和回流罐已做保溫處理，但微小的溫度變化就會引起熱旁路氣體和冷凝管溫度的較大變化，進而引起系統壓力變化，此時不宜再選用單調節閥熱旁路控壓方案。

4.2 雙調節閥熱旁路控壓方案

對于單調節閥熱旁路控壓方案在使用中存在的問題，可采用雙調節閥控壓方案進行優化，但兩個調節閥的設置容易產生互擾，根據控制原理可分為正偏差互擾和負偏差互擾。

4.2.1 正偏差互擾控壓

雙調節閥熱旁路正偏差互擾控制系統如圖6所示。冷卻水量不變，通過調節冷凝器凝液罐口閥門開度來改變冷凝器有效冷凝面積，從而達到控壓目的。為了增加冷凝器過冷凝液進入回流罐的靜壓頭，熱旁路調節閥控制回流罐壓力使得回流罐壓力低于塔頂壓力，以滿足水力學計算要求。

操作特性如下：

a. 當塔頂壓力升高時，為了維持回流罐壓力恒定，熱旁路調節閥首先關小，使塔頂氣相管線壓力進一步升高，同時壓力傳感器PC控制冷凝液出口管線閥門打開，冷凝器浸沒面積減小，有效換熱面積增大，氣體冷凝率增加，壓力逐漸恢復到設定值，反之亦然。

b. 在調節過程中，熱旁路調節閥首先動作，通過調整氣閥流量以維持回流罐壓力穩定，但由于熱旁路調節閥的動作會使塔頂壓力進一步偏離設定值，此時壓力傳感器通過調整回流罐液相進口管線閥門開度來調整冷凝器的有效面積，此過程對壓控具有正向作用，即正偏差。但此正偏差會使得壓控波動幅度更大。

c. 為了避免兩支調節閥互擾造成正偏差，造成壓控波動幅度過大，設置熱旁路調節閥為“慢調”，凝液罐口調節閥為“快調”。即對熱旁路調節閥設置一個滯后偏差階段，從而降低由雙調節閥正偏差互擾而造成的壓力波動。

4.2.2 負偏差互擾控壓

雙調節閥熱旁路負偏差互擾控制系統如圖7所示（其中，PT表示壓力變送器）。冷卻水量不變，通過調節冷凝器罐口調節閥流量來改變冷凝液的有效冷凝面積，從而達到控壓目的。為了增加冷凝器過冷液進入回流罐的靜壓頭，熱旁路控制塔頂壓力和回流罐壓力的壓差即DPC控閥，使回流罐壓力小于塔頂壓力，以滿足水力學計算要求。

操作特性如下：

a. 當塔頂壓力增大，為了維持塔頂壓力與回流罐壓力之間的壓差，熱旁路調節閥首先開大，使回流罐壓力增大。由于回流罐壓力增大反制于液控閥罐口流量的流出，即壓控閥受PT控制，閥門開度增大使得冷凝器有效冷凝面積增大，汽體冷凝率增加，壓力逐漸恢復到設定值，反之亦然。

b. 以圖7a為例，在調控過程中，DPC控閥首先反應使回流罐壓力增加，進而阻礙液閥流量流出，但在實際生產過程中發現，液控閥可能發生無法打開的現象。當液閥受PT控制強行打開后兩支調閥發生互擾，對壓控起反向作用，即負偏差。此種負偏差會使得壓控出現滯后現象。

c. 為了避免兩支調閥互擾造成負偏差，導致壓控發生滯后現象，設置PT為“快調”、DPC為“慢調”。即對DPC調閥設置一個滯后偏差階段，使DPC滿足水力學計算要求，從而減緩由雙控閥負偏差互擾而造成的控閥滯后現象。

4.3 小結

熱旁路的控制方法較為簡單，而且效果顯著，對不同的流程也可以進行相應的設計和調整，主要優點包括：

a. 回流罐大多布置于平臺上，可以為回流泵提供更高的凈正吸入壓頭;

b. 冷凝器可以安裝在較低的位置甚至是地面上，這樣便可以取消支撐結構，不僅降低了投資成本，同時還使冷凝器的維護和清潔更加方便;

c. 可以極大地減小安裝在熱旁路管道上的調節閥尺寸，對于采購和安裝均具有一定的優勢;

d. 采用氣相壓力調節更加便捷和迅速。

對于雙閥模式，采用“快調”和“慢調”的組合方式，可以有效減少雙閥的互擾，發揮更大的調節優勢，因而熱旁路的控制方法在大量裝置中已經廣泛使用。

5 真空裝置控制壓力

目前大多數真空蒸餾塔的壓力控制借助于蒸汽噴射泵、水噴射泵和電動真空泵實現。通過調節真空系統管路的氣量在精餾塔內建立真空環境，一方面可以對設備的負荷進行調整，另一方面也可以控制循環量或不凝氣的采出量從而進行壓力調節。

5.1 蒸汽噴射泵

蒸汽噴射泵利用蒸汽作為動力，使系統不凝氣抽出以維持塔頂真空度，工藝流程如圖8所示。

操作特性如下：

a. 無運動部件，結構簡單，制造方便，同時多級蒸汽噴射泵串聯運行能夠獲得較高的真空度，六級蒸汽噴射泵能達到0.01 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）。

b. 對蒸汽壓力的波動非常敏感，因此在蒸汽管線上要設置蒸汽壓力調節器，以保證蒸汽噴射泵的最佳蒸汽壓力。

c. 取壓點可設在塔頂或塔頂氣相管線上。當系統真空度低于給定值時，關小調節閥，使系統中不凝氣抽出量增加，以提高系統真空度，反之亦然。

d. 若不凝氣中含有易燃易爆有機物，則噴射泵排出蒸汽的管線上應設置一臺冷凝冷卻器，將凝液冷卻至40 ℃左右經液封排去凝液回收系統或含油廢水系統，液封管長度按真空度要求而定，通常為10 m。廢蒸汽中若含有有機物，則需經壓縮至火炬或爐子系統進行燃燒，以符合環保要求。

5.2 液環式真空泵

液環式真空泵控制真空塔壓力如圖9所示，依靠電動機調節不凝氣抽出量來保證真空度恒定，然后經壓縮去爐子或火炬系統，目前該設備已經可以加壓至200～300 kPa。

操作特性如下：

a. 調節閥設置在真空加壓泵回流管上，當塔頂真空度高于給定值時，回路調節閥開度增加，反之亦然。

b. 與多級真空泵相比，液環式真空泵雖然真空度較低，但無需回收凝液、液封、廢氣加壓設施。

6 結束語

在精餾塔全凝壓力控制方案的使用中，由于各種控制方案有著不同的邏輯和系統，故而實際使用過程中也需要因地制宜。透過現場看本質，可以發現所有的控制均是對塔頂氣相出料的冷凝過程或采出過程進行調整和控制，以穩定精餾塔系統的壓力。所以當實際設計工作中涉及到相應的問題時，應當具體分析精餾塔的操作壓力、操作溫度、進料情況及流程特點等，綜合比較全面評估各控制方案的優缺點和適用性，以采用最適合的壓力控制方案。若實際流程較為復雜或特殊，也可以嘗試考慮采用多種不同的控制方案相結合的方式進行優化設計，以滿足工藝流程的實際需求，最終實現和優化精餾塔壓力穩定控制的目標。