精馏塔控制和节能优化研究综述

精馏塔控制和节能优化研究综述

郭燕华

大庆石化 公司 化工二厂己烯 -1 车间 黑龙江大庆 163714

摘要：精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多，过程动态和机理复杂。作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。但在实际生产中，为了保证产品合格，精馏装置操作往往偏于保守，操作方法以及操作参数设置往往欠合理，过分离普遍存在。精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离,而是被冷却水或分离组分带走。因此,精馏过程的节能潜力很大，收效也极为明显。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

前言：通过对精馏塔的研究过程中发现，在精馏的过程中，会消耗较多的能源，热力学的效率也会出现很大程度的降低，因此，对于化工行业来说，当前困扰着我国化工行业很多专家的一个难题。在一般的情况下，精馏塔的设计会很大程度上的影响着资源的消耗情况，好的精馏塔结构将为化工省下大量资源，有效提高行业经济效益，降低精馏成本，由此可见，对精馏塔的研究和分析具有非常积极的意义。

1、精馏原理介绍

精馏操作属于化工生产行业中较为常见的处理流程之一，其需要将混合物体内部液体部分、气体部分进行接触操作，使相关物质在固定条件下进行反应。常规状态中，物质会在逆向流动、全面接触前提下逐渐开始反应流程，使液相内部轻组分快速进入气相内部，气相完成重组分操作，最终进入液相内部。精馏本质属于传质活动，会导致热量不断传导，最终达成反应目标。在压力恒定环境下，独立组分液体沸腾会持续产生加热效果，但温度却始终维持原有状态。多组分液体会同样会在沸腾阶段持续加热，但温度会发生对应变化。恒定压力会使溶液气相平衡与组分存在产生相对联系，组分沸腾温度点越高、浓度级别越高、平衡状态所需温度级别也会越高。因此，相对于物质气液相平衡状态，溶液气液进入平衡具有独特表现，即气相、液相平衡浓度存在差异。常规气相低沸腾点组分浓度高于液相组分浓度，与纯组分气态、液态平衡相对比，常规压力条件下平衡温度主要代指冷凝点、沸腾点。若溶液处于相对平衡状态，则平衡温度可转变为此液相浓度级别下泡点、露点温度。维持气相与液相保持平衡时，泡点、露点温度普遍存在差异，泡点实际温度值可能会低于露点温度值。通过汽化处理环节与冷凝处理环节可以实现分离操作，通过在精馏装置内部反复开展相关流程，最终便能够达到同组分相对分离效果。因此，可以认为精馏实际原理属于数次汽化处理与数次吸收冷凝的共同作用。溶液在进入汽化状态时，会对周边热量进行吸收，而进入冷凝状态时，气体需要释放热量才能够达到目标。因此，精馏处理需要再沸装置与冷凝装置共同处理，确保相关流程能够正常完成。通过将原始溶液加入精馏装置，可以使其在设备内反复进行汽化、冷凝。随后，便可在设备塔顶区域或塔底区域获得反应产物。此流程需要精馏塔装置、回流泵装置与冷凝装置共同处理，实际生产阶段应用原料需要从精馏塔中段区域进入，随后采用进料处理板将其分为两组。上半组区域为精馏处理段，下半组为提馏处理段。在加入溶液后，由于各个组分存在沸点差异，因此低沸点区域相对容易汽化，产生向上方升腾的效果。高沸点组分会随其它液体向下方移动，随后在塔板位置与上升蒸汽流相互接触，进入逆流反应状态，完成热能传导流程。下段液体在进入塔釜后，一部分通过连续引流处理成为成品，另一部分在汽化处理环境中重新进入塔内。塔顶位置会在冷凝装置介入情况下转变为液体，通过回流泵装置处理达到被引出或返回塔板的目标，最终完成精馏反应。

2、精馏塔的控制与节能优化
2.1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。

结语：精馏塔属于工业生产关键设备类型之一，因此需要重视控制与节能优化改进，确保其能够达到理想运行效果，进一步缩减应用成本并减少能源消耗，为未来生产环节提供重要支持。未来，还需要结合信息化与智能方案、自动化平台等改进技术，对精馏塔进行全面优化，使其应用效果能够贴合新时代背景，达到革新工业生产设备的行业目标。

参考文献：

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