陈威
北京化工大学
一、精馏原理
精馏是化工生产中分离互溶液体混合物的典型单元操作，其实质是多级蒸馏，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组分（沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化，经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离。
精馏过程的主要设备有：精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备等。精馏塔以进料板为界，上部为精馏段，下部为提馏段。一定温度和压力的料液进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐浓缩，离开塔顶后全部冷凝进入回流罐，一部分作为塔顶产品（也叫馏出液），另一部分被送入塔内作为回流液。回流液的目的是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成保持稳定，保证精馏操作连续稳定地进行。而重组分在提留段中浓缩后，一部分作为塔釜产品（也叫残液），一部分则经再沸器加热后送回塔中，为精馏操作提供一定量连续上升的蒸气气流。
精馏塔从结构上分，有板式塔和填料塔两大类。而板式塔根据塔结构不同，又有泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流板塔、浮喷塔、浮舌塔等等。各种塔板的改进趋势是提高设备的生产能力，简化结构，降低造价，同时提高分离效率。填科塔是另一类传质设备，它的主要特点是结构简单，易用耐蚀材料制作，阻力小等，一般适用于直径小的塔。
在实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种。对石油化工等大型生产过程，主要是采用连续精馏。
精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓缓，变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。而且从能耗的角度来看，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备，因此，精馏塔的节能控制也是十分重要的。
二、精馏塔的主要干扰因素
精馏塔的主要干扰因素为进料状态，即进料流量F、进料组分zf,进料温度Tf或热焓FE.此外，冷剂与加热剂的压力和温度及环境温度等因素也会影响精馏塔的平衡操作。所以，在精馏塔的整体方案确定时，如果工艺允许，能把精馏塔进料量、进料温度或热焓加以定值控制，对精馏塔的操作平稳是极为有利的。
三、精馏塔的控制要求
精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或总成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统。
（1)产品质量控制
塔顶或塔底产品之一合乎规定的纯度，另一端成品维持在规定的范围内。在某些特定情况下也有要求塔顶和塔底产品均保证一定的纯度要求。所谓产品的纯度，就二元精馏来说，其质量指标是指塔顶产品中轻组分（或重组分）含量和塔底产品中重组分（或轻组分）含量。对多元精馏而言，则以关键组分的含量来表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品是不易挥发的关键组分，称为重关键组分。
（2)物料平衡控制
进出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝液罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为目标的。
（3)能量平衡控制
精馏塔的输入、输出能量应平衡，使塔内的操作压力维持稳定。
（4)约束条件控制
为保证精馏塔的正常、安全操作，必须使某些操作参数限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件为液泛限、漏液限、压力限及临界温差限等。所谓液泛限，也称气相速度限，即塔内气相速度过高时，雾沫夹带十分严重，实际上液相将从下面塔板倒流到上面塔板，产生液泛，破坏正常操作。漏液限也称最小相速度限，当气相速度小于某一值时，将产生塔板漏液，板效率下降。防止液和漏液，可以以塔压降或压差来监视气相速度。压力限是指塔的操作压力的限制，一般是最大操作压力限，即塔操作压力不能过大，否则会影响塔内的气液平衡，严越限甚至会影响安全生产。临界温差限主要是指再沸器两侧间的温差，当这一温差低于临界温差时，给热系数急剧下降，传热量也随之下降，不能保证塔的正常传热的需要。
四、精馏塔被控变量的选择
精馏塔被控变量的选择，主要是讨论质量控制中的被控变量的确定，以及检
测点的位置等问题。通常，精馏塔的质量指标主要是间接的温度信号。
温度作为间接质量指标，是精馏塔质量控制中应用最早也是目前最常见的一种方式。对于一个二元组分精馏塔来说，在一定的压力下，沸点和产品的成分有单值的对应关系，因此，只要塔压恒定，塔板的温度就反映了成分。对于多元精馏过程来说，情况较复杂。然而在炼油和石油化工生产中，许多产品都是由一系列的碳氢化合物的同系物所组成，此时，在一定的压力下，温度与成分之间也有近似的对应关系。即压力一定，保持一定的温度，成分的误差可忽略不计。在其余情况下，温度参数也有可能在一定程度上反映成分的变化。
（1)温度点的位置
通常，若希望保持塔顶产品质量符合要求，也就是顶部馏出物为主要产品时，应把间接反映质量的温度检测点放在塔顶，构成所谓精馏段温控系统。同样，为了保证塔底产品符合质量要求，温度检测点则应放在塔底，实施提馏段温控。
上述温度点位置的设置依据，在一些特殊情况下也有例外。例如负有粗馏作用的切割塔，此时温度检测点的位置应视产品纯度要求的严格程度而定。有时，顶部馏出物为主要产品，但为了获得轻关键组分的最大收率，希望塔底产品中尽量把轻关键组分向上蒸出。这时，往往把温度检测点放在塔底附近。此时，在塔顶产品中带出一些重组分也是允许的，因为切割塔后面还将有进一步的精馏分离。
在某些精馏塔上，也有把温度检测点放在加料板附近的塔板上，甚至以加料板本身的温度作为间接质量指标，这种做法常称为中温控制。中温控制的目的是希望能及时发现操作线左右移动的情况，并可兼顾塔顶、塔底的组分的变化。在某些精馏塔上中温控制取得了较好的效果。但当分离要求较高时，或进料浓度：，变动较大时，中温控制难以正确反映塔顶塔底的成分。
（2)灵敏板问题
采用塔顶（或塔底）温度作为间接质量指标时，实际上把温度检测点放置在
塔顶（底）是极为少数的。因为在分离比较纯的产品时，邻近塔两端的各板之间温差是很小的，这时塔顶（底）的温度出现稍微的变化，产品质量就可能超出允许的范围，因而必须要求温度检测装置有很高的精度与灵敏度，才能满足控制系统的要求，这一点实现起来是有较大难度的，。所以，在实际使用中是把温度检测点放在进料板与塔顶（底）之间的灵敏板上。
所谓灵敏板，是当塔受到干扰或控制作用时，塔内各板的组分都将发生变化，随之各塔板的温度也将发生变化，当达到新的稳态时，温度变化最大的那块塔板即称为灵敏板。