精馏塔控制与节能优化研究综述

陈小军

摘要：本文简单介绍了精馏原理，针对精馏塔控制和节能优化展开了深入的研究分析，结合本次研究，发表了一些自己的建议看法，希望可以对精馏塔控制以及节能优化起到一定的参考和帮助，提高精馏塔控制和节能优化有效性。

关键词：精馏塔；控制；节能优化

为了符合当前的节能环保理念，对于精馏过程的控制以及节能优化提出了更为严格的要求，本文就此进行了研究分析。

1精馏原理
  精馏技术是基于利用回流促使液体混合物有效得到高纯度分离的一种蒸馏方法，该项技术被普遍应用在液体混合物分离操作中。工作人员根据精馏技术的生产工艺和工质特点，将精馏技术技术科学划分为了直接塔顶式热泵精馏和间接式热泵精馏。热泵精馏技术是一种基于对机械功能有效补偿和消耗，将精馏塔塔顶部的低温区域内热量成功传递至塔釜高温区域，这样一来就能够促使精馏塔塔顶区域的低温蒸汽有效转换为塔底再沸器的热源。不同类型的热泵精馏在化工生产中有着不一样的适用范围，间接式热泵精馏通常被化工企业工作人员用于精馏塔内物质有腐蚀性或者对温度较为敏感的情况。
1.1直接塔顶式热泵精馏系统
  在化工生产领域中，化工企业经常运用的直接塔顶式热泵精馏系统构成主要包括了精馏塔、压缩机、蒸发器以及驱动器等。当化工企业工作人员将直接塔顶式热泵精馏系统实践应用在化工生产过程中，需要提供现成的载热工质，并且为了实现系统能够顺利进行热量交换，工作人员还需要在系统内部合理设置一个高质量的热交换器。在直接塔顶式热泵精馏系统运行中，压缩机的作用在于其能够帮助降低整个精馏塔运行过程的功能损耗，同时大大提升压缩效率。除此之外，直接塔顶式热泵精馏系统还有着本身结构简单的优势特点，无需安排大量工作人员进行检修维护，操作简单方便，从而有效降低了化工企业的生产管理成本。
1.2间接式热泵精馏系统
  在化工生产领域中，间接式热泵精馏系统也是一种常见精馏技术。间接式热泵精馏系统的构成主要包括了精馏塔、压缩器、蒸发器、驱动器以及冷凝器等。化工企业工作人员通过将间接式热泵精馏系统实践应用在化工生产，能够发挥出其隔离塔内材料的作用，有效减小系统控制和设计难度。此外，与直接式热泵精馏系统相比较，间接式精馏系统内部运作多了一个热交换器，这样一来会导致其本身运作效率的降低。在间接式热泵精馏系统运作过程中，其内精馏工质是以水为主，无需投入传统制冷剂，这样无疑能够降低化工生产成本。并且水本身具有良好的导热性能，在塔内热交换中交换面较小，适宜用在塔底温度偏高的精馏系统。
1.3其他
  精馏技术除了常见的直接塔顶式热泵精馏和间接式热泵精馏，还包括了蒸汽加压式热泵。在化工实践生产中蒸汽加压式热泵的构成部分包括了2个热交换机、1个压缩机、1个膨胀阀以及工质。在蒸汽加压式热泵的蒸发器中，工质温度会在热交换机中得到有效蒸发，并且当其从热源中获取到一定热量后，工质会基于压缩机运行作用下，在冷凝器中加工的温度的另外一个热交换机展开潜热。直到冷凝器中的工质完全冷凝过后，会在热胀冷缩作用下膨胀进入到蒸发器中，从而有效形成了一个作业循环。

2进料温度与位置

2.1进料温度

塔的模拟表明，精馏塔的分离动力来自塔釜重沸器的热量，而且全塔上下的负荷并不均匀，与侧线采出与进料工况有关。从气液量上讲，塔底相较于塔顶往往是大的，所以一般塔的液泛从塔底开始进行。当选择冷态进料时，就要求塔釜重沸器更多的热量供应，同时增加塔底气液量。保持已知的分离状态下所需要的热量不变，当精馏系统的进料温度逐步升高，重沸器的热负荷相应减少。

2.2进料位置

进料位置的选择上，就需要提到最佳进料位置。最佳进料位置是指在相同的理论板数和同样的操作条件下，具有最大分离能力的进料板位置或在同一操作条件下所需理论板数最少的进料板位置。最佳进料口位置的选择原则是应该保持此进料口位置与该精馏塔相应位置的温度接近。在进料位置比最佳进料位置高的情况下，则当前状态下进料板液相组成中的小质量组分会比最佳进料位置下此板的液相组成的小质量组分要高，同时大质量组分相应会比最佳位置下的液相组成要低，在这种情况下，相比于最佳位置，相当于减少了精馏断的塔板数，增加了提留段的塔板数，故此时塔顶产品质量会明显下降，塔釜大质量组分的质量会提高。同理，在进料位置比最佳进料位置低时，则当前状态下的进料板液相组成的小质量组分会比最佳位置下该板的液相组成的小质量组分要低，同时大质量组分相应会比最佳位置下液相组成要高，相比于最佳位置而言，相当于增加了精馏段的塔板数，减少了提留段的塔板数，故此时塔顶产品质量会明显提高，塔釜大质量组分的质量会下降。

3精馏塔的控制与节能优化

3.1精馏塔的控制与节能优化目标

精馏塔的控制与节能优化前提是保证产品的质量，以此为基础，提高回收率，降低能耗，以最小的成本收获最大的经济效益。在实际运行中需要满足以下三个方面的要求：第一，物料平衡和能量平衡要求，精馏塔塔顶与塔底等平均流出量需要与进料量相一致，采出量变化相对较为平缓，能够提高上下工序操作平稳性，另外，塔顶等容器内的蓄液量也需要尽量保持在额定范围内。第二，质量指标要求，精馏塔主要是实现不同组分的相互分离，保证轻组分产品或者重组分产品能够满足规定要求的纯度，这也是精馏塔控制最为基本的目标和要求。第三，约束条件，为了提高精馏塔操作的安全性和规范性，部分操作参数必须要加上相应的约束条件，比如说压力限、液泛限、临界温差限等。

3.2精馏塔控制策略

精馏过程有着非常大的复杂性，很难实现变量的有效配对，约束条件复杂，很大程度上增大了精馏塔控制难度。近年来，在精馏塔控制方面的研究主要集中在线性多变量控制技术的开发研究、预测控制、精馏塔控制系统设计等方面，非线性控制技术应用在精馏塔控制中，同时还存在有模糊控制等智能控制方式。另外，精馏塔的控制还包含有一些相关软件，比如说DeltaDistillationPACPackage等。预测控制在工程过程控制中有着非常广泛的应用，在精馏装置中，预测控制受到极高的关注。另外，精馏塔对象研究方面应用智能控制，增益预测方法使用神经网络。当前精馏塔控制方面的研究逐渐集中在精馏塔两端组分控制以及控制系统结构分析等方面。当前组分在线检测装置的实际检测精度很难满足在线控制实际需要，人们将关注的重点逐渐向推理控制方面转移。但是因为精馏过程中的关联性非常强，常用的递推最小二乘算法很难取得理想的应用效果。当前这些方面的研究主要集中在理论推导仿真以及实验室装置方面，很少有在工业应用方面的报道。随着当前工业在精馏过程的要求越来越严格，迫切需要有着更高使用价值的控制策略应用在实际生产控制中。

3.3精馏塔节能优化研究

人们在精馏塔节能优化方面的研究，有提出使用高效填料替代低效填料，优化再沸器以及冷凝器换热效果，改变进料装置位置，应用热泵技术、选择特殊精馏技术等。比如说超重力旋转精馏机，再沸器容积仅3m³，综合节能约5%~20%。这些方法更多的是从工艺流程方面出发，需要对生产车间或者生产流程进行改造，操作参数方面的优化研究较为少见。当前的操作参数研究以离线优化为主，很难结合设备运行情况展开实时优化，实际优化效果不理想。

参考文献：

[1]谢英芹，李玲.浅析精馏塔设计以及节能的研究[J].化工设计通讯，2017,(11):149-150.

[2]李春利，杜季颖，张林，等.内部热耦合精馏塔的传热及优化[J].化工进展，2018,(1):7-13.