关于精馏塔与自动控制，那些你可能还不知道的事儿！

在化工领域里，精馏塔是一种常见的用来分离提纯相关组分的设备，而计算机技术的应用使得精馏塔的控制实现自动化，促进了工艺的优化。随着科技的不断进步以及质量体系促使的工艺技术日益严格精细化，传统的操作方式已经变得越来越无法满足现今行业要求的高效率与高质量。为解决上述缺陷，实现精细有效化的对体系温度的掌控，采用计算机来实现的自动化温度控制系统，经过相应的改装调试后运用到精馏分离的过程中。

一、精馏塔（Rectification Tower）

      精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装臵。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。

1.简介（Introduction）

a、精馏原理 (Principle of Rectify)

      蒸馏的基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，α）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 

 b、过程简述（Introduction of procedure） 

      蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。  

c、存在问题（Problems existent）      

      然而，纵观化工工艺过程，整个冷凝体系的温度控制很难实现精细化。这会造成部分物质以及杂质表现出来的物化性质难以区分。即需要体系中不可避免的混入了其他杂质的，无疑整个精馏分离过程的目的大打折扣。针对这种情况，实际生产中往往采取提升系统温度的办法来解决，但另一方面温度越高时则一些有用物质会呈现难以完全冷凝回流的状况，进而分离效果的产量下降。

2.解决方法（Solution）      

      根据精馏原理以及对过程的分析，温度控制的精细程度决定了精馏效果的好坏。在实际生产的实施过程，可变因子以及影响因子都客观存在。而且需要操作控制的变量亦多，各种变量的相互组合都可能导致偏离所需要目标的结果，因此精细准确的自动化系统条件控制无论是在工艺效率实现还是整个的质量体系都扮演相当重要的角色。

二、自动控制（Automatic Control）

1.概念（Concept）      

      指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装臵，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制而言的。

 2.应用（Application）

      反馈调节是自动控制的核心，例如温度自动控制就是将温度作为输出量，用来调节加热与散热，从而达到温度恒定的目的。将自动控制用于精馏塔的温度调节，可以大大提高精馏的效率及质量。精馏塔顶部的冷凝体系温度由温控制系统监测，体系里安装有灵敏的温度传感器，随着精馏塔顶端组分的变化而改变。系统设定一定的监测温度线，如果体系温度出现异常超过限制，则自动监测控温系统中会自动调整，重新设臵温度以及改变适宜的组分回流比来快速解决如果精馏塔端蒸汽体系的温度超过控制范围，即体系里未凝洁物质比率上升，这时总系统快捷改变温度、并减低回流比。反之亦然，自动控制系统会调节体系始终保证在恒定适宜的条件下进行精馏过程。这样，冷凝器控制的操作完全由自动化的程序实现精细准确的监控，避免人工来改变体系温度以及回流比，最终实现产品质量的最优化。

三、精馏塔与自动控制（Rectification Tower and Automatic Control）  

1.自动化控制下的气液平衡      

      精馏工序的操作本质是三个化学平衡的体现，分别为物料、相态以及热平衡，它们紧密牵连。如蒸汽压力改变时，会很快改变塔底的实际蒸发量，直接导致体系内热非平衡，气液相态亦随之不均衡。故生产过程的关键在于热量与蒸汽量的平衡状态。在其他不变的条件下流速与蒸发量以及精馏塔的塔差成正比，依此可通过改变精馏塔两端的压力实现对蒸发量的控制。自动系统过程中采取进料量和塔釜压力相串级的方式，塔底压力电子信号会传递至流量调节阀系统，调节阀会自动化调整流量。进料量的实时最适变化可以达到塔釜压力的相对稳定，避免了整个过程的最终分离效果受到的进料量波动影响。 

2.精馏塔的温度控制  

（1）精馏段温控灵敏板取在精馏段的某层塔板处，称为精馏段温控。适用于对塔顶产品质量要求高或是气相进料的场合。调节手段是根据灵敏板温度，适当调节回流比。例如，灵敏板温度升高时，则反映塔顶产品组成Zn下降，故此时发出信号适当增大回流比，使XD上升至合格值时，灵敏板温度降至规定值。  

（2）提馏段温控灵敏板取在提馏段的某层塔板处，称为提馏段温控。适用于对塔底产品要求高的场合或是液相进料时，其采用的调节手段是根据灵敏板温度，适当调节再沸器加热量。例如，当灵敏板温度下降时，则反映釜底液相组成Xw变大，釜底产品不合格，故发出信号适当增大再沸器的加热量，使釜温上升，以便保持工作的规定值。

（3）温差控制当原料液中各组成的沸点相近，而对产品的纯度要求又较高时不宜采用一般的温控方法，而应采用温差控制方法。温差控制是根据两板的温度变化总是比单一板上的温度变化范围要相对大得多的原理来设计的，采用此法易于保证产品纯度，又利于仪表的选择和使用。

3.应用实例      

      PVC工业化的生产过程中精馏工序是通过高低沸塔来实现的，其中最关键的技术在于精馏塔顶部冷凝器体系温度的精细化控制，这也是整个PVC工业化生产的瓶颈部分。随着技术的发展，将自动化控制系统装配于PVC精馏工序的冷凝工段，以实际数据来看比之常规手段有明显优势。

a、VC低沸塔体系      

      VC低沸体系是用来分离沸点低于VC的乙炔等组分。实际情况中往往因为两者在一些性质方面表现的较相同，且液相的乙炔组分能够与氯乙烯液相体系相混溶，这样实际的低沸分析目的不能高效实现。根据实际情况，采取在冷凝器系统装配上计算机自动化控制系统。它能够实现对精馏塔顶端物系温度的实时监测，且根据实际情况实现自动调整，达到精确控制冷凝体系温度的目的，避免过高或者过低等异常情况。自动化控温后进而可实现精馏塔顶端回流比和回流量的最优化。

b、VC高沸塔体系

      低沸塔的馏分VC液再通过高沸塔体系的精馏过程分离出高沸点物，高纯度气相态的VC从精馏塔顶通过经冷凝系统，转换为成品馏出。实际生产过程中，传统的冷凝系统控制时常达不到温度的精细化控制，最终影响到产品的质量。而一旦也在高沸塔冷凝系统装配计算机自动温度系统，计算机实时监测塔顶及冷凝体系温度，自动的控制回流量和回流比数值，实现整个过程的操作效率最大化。

四、新趋势

超重力精馏塔

      近年来出现的超重力精馏技术，利用高速旋转产生的数百至千倍重力的超重力场代替常规的重力场，极大地强化气液传质过程，将传质单元高度降低1个数量级。从而使巨大的塔设备变为高度不到2米的超重力精馏机，达到增加效率、缩小体积的目的。超重力精馏改变了传统的塔设备精馏模式，只要在室内厂房里就可以实现连续精馏过程。对社会的发展而言可节省钢材资源，延长地球资源的使用年限；对企业的发展而言，可以节约场地与空间资源，减少污染排放，提高产品质量，改善经营管理模式，降低生产劳动强度，增加生产的安全性。超重力精馏塔与自动控制结合，可以在重力场与温度两个方面同时提高精馏塔的精馏效率，大大促进产业发展。

 五、结语     

在化工生产的精馏工艺中，自动化系统的导入，一方面实现了操作的简单，快捷化，节省的人力成本；另一方计算机的分析以及传感的灵敏性保证系统对于体系参数的实时精确控制，做到实时控制，快速自动调整，亦是工艺的最优化体现，是实现产品经济最大化的保证。

来源：网络