精馏塔控制和节能优化研究

李永强

青海亚洲硅业多晶硅有限公司 青海 西宁 810000

摘要：精馏是一个复杂的传热过程，过程变量和控制变量很多，整个精馏机理复杂。蒸馏广泛应用于化工生产，消耗大量能源。在实际生产过程中，为了保证产品质量，蒸馏装置的操作一般比较保守，操作参数的设定和方法不合理。蒸馏过程中消耗的能量会被组分分离和冷却水带走，并没有用于组分分离。因此，整个精馏过程节能潜力大，节能优化可行性高。随着我国石油化工的发展和进步，精馏操作的应用越来越广泛，分离出的物料组分越来越多，对产品纯度的要求也越来越高。

关键词：精馏塔； 控制策略； 节能优化；

为了与绿色、节能理念相契合，给精馏过程带来了新的挑战，对精馏过程进行严格的控制以及优化是十分重要的。但是，在对精馏塔进行控制以及节能优化之前，必须有效确保整个精馏过程中所生产的产品质量，只有产品达到了相关标准，才可以进行装置优化，从而降低能耗、有效提升回收率，做到将成本最大化的转变成经济效益。

一、精馏原理以与操作过程

精馏就是将一定浓度的液体输送到精馏装置中，常见的精馏设备就是连续精馏装置。精馏装置主要分为几大部分：一是精馏塔；二是冷凝器；三是再沸器；四是回流罐；连续精馏装置的工作原理是由进料泵将溶液供给到精馏塔，由于溶液中的液体沸点不同，就会将溶液分为低沸点组和高沸点组，低沸点组也就是易挥发组会因为汽化而向上升腾；高沸点组会因其难挥发而向下流淌，并与向上升腾的蒸汽在塔板之间发生接触，从而实现相际传质。在相对恒压的条件下，若对单组液体进行持续加热，温度并不会出现变化，但是，在对混合溶液进行沸腾后持续加热，其温度必然会发生变化。在恒压的条件下，溶液的组分情况会与气相平衡有着密切的联系，其中组分的沸点与浓度成正比，沸点越高浓度就会越高，当然平衡温度也就会更高。与纯物质相比，混合溶液中液相与气相均处于平衡状态下的温度是不一样的。当沸点高的液体流到釜液泵后，就会成为塔底产品，而沸点低的液体就会成为塔顶产品，这两段操作的结合，可以将混合溶液中的液体分为两个部分，并进行分离，从而精馏出两种所需纯度的产品。精馏可以将混合物液体进行分离，主要利用的就是液体的沸点不同，通过汽化以及冷凝的方式，经过精馏装置对其进行反复冷凝以及汽化，从而有效的不同组分的液体完全分离。所以，整个精馏过程其实就是进行多次汽化、多次冷凝的过程，并且，溶液会在汽化以及冷凝的过程中会吸收和释放大量的热量，因此精馏装置必须具备冷凝器以及再沸器等装置给予辅助，从而实现整个精馏装置的完整运行，从而得到预期塔顶以及塔底的产品[2]。

二、精馏塔的优化目标

1.物料平衡以及能量平衡。在使用精馏装置开展生产加工活动时，工作人员应当保证进料的总量能够和塔底釜液、塔板蓄液以及塔顶液体的总量相同，同时其整体的变动趋势也应当保持平缓，这有助于确保各项工序的温度有序开展。

2.质量指标要求。精馏装置的质量指标要求明确指出，通过精馏所取得的产品纯度应当满足相关规范。精馏塔的主要功能在于，实现不同组分的溶液相分离，以此来取得石油化工生产所需的两种不同纯度的产品。在生产过程中，不管是轻组分还是重组分的产品均需要质量达标。

3.约束条件。约束条件主要指，化工企业的操作人员应当在针对多组分溶液进行精馏处理的过程中，尽可能把操作参数控制在限定的范畴之内。当前我国针对精馏塔所制定的约束条件，主要包括压差、液泛、漏液等方面的限制，通过上述几项约束条件的落实，能确保精馏塔在实际使用过程中保持良好的稳定性，并在精馏过程中取得满足企业生产需求的产品。

三、 操作条件的优化

1.科学选择回流比。精馏过程中的能量消耗多少与两个因素有关，其一是塔底再沸器的加热蒸汽量，其二则是塔顶冷凝器冷却水的使用量。从具体的实验分析来看，二者用量的多少与塔内上升的蒸汽量有关。在塔顶产品流量保持不变的情况下，上升蒸汽量与摩尔气体常数 R 为正比关系，则回流增大。此时，不管是蒸汽加热量还是冷却水的使用量均会呈现明显的增加状态，同时，操作费用也会增加。就实践来讲，回流比越小，能耗便会越低，所以在精馏塔的工作实践中，需要在保证质量的条件下尽可能减小回流比。目前的实践结果显示，在系统回流比处于最小状态时技能效果会比较显著，但塔设备费用会显著增加，进而导致整个精馏过程的费用增加。再者，在不断减小回流比时，塔系统的具体操作会变得更加复杂，要求也会更多，这不符合节能的初衷，所以需要改善这种情况。通过不断的实验分析发现，确定最优回流比对节能而言意义显著，而最优回流比实际上就是强调设备费用与操作费用的平衡。通过多方面的研究讨论发现，在最优回流比下执行一般操作，加热蒸汽费用在总费用当中的占比能够达到70%。当塔顶冷凝器的温度要明显低于大气温度时，冷冻费会增加。

2.操作压力的合理选择。操作压力对精馏塔的生产过程能耗也有显著的影响。作为精馏过程中的重要参数，操作压力的降低会导致物系挥发度的增大，通过减压操作能够增加物系的挥发度，使平衡温度有效降低。基于此，在操作实践中可以在减压的情况下强调回流比的适当减小。再者，通过减压的方式进行精馏，许多的高沸点化合物在分离的过程中可以有效规避高价值加热介质的利用，这会使传热面积显著减少，精馏塔的生产投资也会显著减少。结合目前的实践分析可知，当物料组分不发生变化的情况下，利用加压这种方式可以让塔顶以及塔釜的温度持续升高。在加压精馏工作的具体执行中，为了提升被分离物系自身的饱和蒸气压，可以使用廉价的冷凝介质。在目前的实践中，主要的冷凝介质是水，其在降低投资以及操作费用方面有显著价值，而且采用水作为冷却介质还能够有效减少冰盐水的使用量，这对降低能耗价值巨大。立足于节能的角度进行分析，随着操作压力的不断提升，塔顶的冷凝器和塔釜的重沸器传热温度会低于常压，如此一来，单位产品所产生的能耗会明显下降。不少企业在精馏节能的过程中所选择的方式便是改变压力。总的来讲，压力作为精馏过程中备受关注的参数之一，其改变会对生产过程中的平衡关系等产生影响，也会给各个环节的工作带来影响。所以基于压力的改变对各个环节的工作变化进行分析，并基于压力的影响确定合理的节能措施和方法，这样才能使精馏节能工作的具体表现更加突出。

3.确定合理的进料板位置。在精馏塔的具体工作中，进料的位置差异也会影响精馏过程中的能耗，所以需要基于物料组分的差异来分析、确定进料的位置。结合目前的实践做分析，如果被分离的物料来源差异非常显著，那么在进行物料混合之后往往会出现单塔处理进料的情况，这种现象会导致精馏过程中的能耗增加。因此必须要对被分离物料的来源进行确定，要基于节能的需要尽可能选用来源相同的物料，而且要对进料板的位置做科学确定，最终的节能工作效果才能更加突出。

4.强调进料的状态。对精馏塔的具体工作进行分析，如果在精馏塔操作时回流比以及塔顶流出的液体相同，那么进料的温度便无法对塔顶的冷凝器热负荷产生显著影响，此时进料温度与塔底的再沸器会存在热负荷反比关系。在任何体系中，进料温度的升高都会导致塔底热负荷的明显减小，这会达到降低能耗的目的，因此在生产实践中，只要条件允许，可以升高进料温度。 一般情况下，塔底的液量是高于塔顶的，而且塔液泛总是开始于塔底。在回流比相同时，对冷进料和热进料进行比较会发现减小冷进料，塔板数也会有所减少，此时的设备搭建费用会明显降低。

总之，当前精馏塔控制和节能优化更多的集中在理论和仿真实验研究方面，很少有实际应用成功是案例。主要是理论在实际应用中存在的一些问题未能得到有效解决，未来精馏塔控制与节能优化方面的研究任重而道远。

参考文献:

[1]谢玲.浅析精馏塔设计以及节能的研究.2020.

[2]李季林，浅谈精馏塔控制和节能优化研究.2022.