摘 要 論述了5種常用的精餾塔全凝壓力控制方案，闡述了各方案的壓力控制原理與操作特性，并指出了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)和使用原則。

關(guān)鍵詞 精餾塔 壓力 控制方案 使用原則

中圖分類號(hào) TQ053.5" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B" "文章編號(hào) 0254?6094（2025）02?0333?06

精餾是石化和煉油生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的分離技術(shù)，也是工業(yè)中最為常見的液體混合物分離操作。精餾塔的工程設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)節(jié)能降耗和公用工程起著至關(guān)重要的作用，因此精餾塔的工程設(shè)計(jì)一直是化工設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。在精餾塔的操作過(guò)程中，進(jìn)料組成和溫度的改變、塔釜加熱蒸汽量和回流量的調(diào)整、回流溫度的設(shè)定及制冷劑壓力的波動(dòng)等都可能引起精餾塔壓力的不穩(wěn)定，這將引起每層塔板上汽液平衡條件的改變，使得整個(gè)精餾塔的正常操作被破壞，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此在精餾塔的設(shè)計(jì)過(guò)程中，精餾塔壓力的控制方案決定了精餾塔能否安全穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量能否滿足要求。通常，精餾塔壓力控制方案主要包括以下5種：

a. 惰性氣體控制壓力;

b. 調(diào)節(jié)冷凝器的制冷劑用量;

c. 控制冷凝器的有效面積;

d. 熱旁路的控制方法;

e. 真空裝置控制壓力。

1 惰性氣體控制壓力

1.1 控壓原理

一般在精餾塔全凝或塔頂?shù)牟荒詺怏w很少的情況下采用惰性氣體控制壓力，即通過(guò)補(bǔ)充惰性氣體（一般為氮?dú)猓﹣?lái)控制精餾塔壓力，而少量的不凝性氣體則使用分程控制原理進(jìn)行周期性的合理排放。惰性氣體控制壓力主要流程如圖1所示，壓力傳感器PC可以設(shè)置在氣相管線或塔頂之上，當(dāng)不凝性氣體積聚或其他原因?qū)е聣毫ι吆?，排氣閥門V2打開，塔頂壓力隨之下降至設(shè)定值，而當(dāng)壓力不足時(shí)，則打開惰性氣體閥門V1，塔頂壓力相應(yīng)升高，以此保證塔頂壓力的穩(wěn)定。該壓力控制方案通常應(yīng)用于常壓塔和正壓塔。

1.2 操作特性

惰性氣體控制壓力非常直觀，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

a. 控制和操作都非常簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度也比較快，常用于簡(jiǎn)單的工藝流程中;

b. 采用冷凝冷卻器，設(shè)備結(jié)構(gòu)和布置比較簡(jiǎn)單;

c. 是一種長(zhǎng)期使用的成熟控制方案。

缺點(diǎn)如下：

a. 壓力控制器PC為雙程控制，包括N2進(jìn)入和廢氣排出。由于N2長(zhǎng)時(shí)間在回流罐氣相空間，必然有一部分溶解在凝液中。而凝液進(jìn)行回流時(shí)必然釋放到塔頂氣相中，這會(huì)在冷凝冷卻器頂部形成一層惰性氣體薄膜，導(dǎo)致冷凝傳熱效率降低，冷凝率下降，塔頂壓力升高。此時(shí)又將進(jìn)行排氣，隨后還需要N2補(bǔ)充壓力，如此反復(fù)循環(huán)將造成塔頂壓力不穩(wěn)定。另外，雙程控制壓力設(shè)定也很重要，它將嚴(yán)重影響壓控質(zhì)量。

b. 不可避免地會(huì)造成惰性氣體浪費(fèi)。

c. 廢氣的排放必然會(huì)帶出一定量有機(jī)物料，造成塔頂物料損失，收率下降。

d. 中間產(chǎn)品出料中必然溶解一定量惰性氣體，可能會(huì)造成下游單元的處理問(wèn)題。

e. 凝液過(guò)冷，溫度不恒定。

該方案中使用的惰性氣體不僅會(huì)產(chǎn)生排放等副作用，當(dāng)涉及有毒有害物質(zhì)時(shí)，還需要考慮增加廢氣處理設(shè)備，使得設(shè)備投資成本提高。另外，對(duì)于大型生產(chǎn)裝置，如果回收的物料會(huì)參與前方的反應(yīng)流程，物料中微量的N經(jīng)過(guò)累積還可能發(fā)生不可預(yù)見的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)后續(xù)的分離造成更為嚴(yán)重的影響。因此，該方案通常用于裝置較小或流程較簡(jiǎn)單的情況，在大型的工業(yè)生產(chǎn)裝置中使用限制較多。

2 調(diào)節(jié)冷凝器的制冷劑用量

2.1 控壓原理

該方法通過(guò)塔頂或氣相管線上的壓力傳感器直接控制冷凝器的制冷劑（通常為冷卻水）用量，以此改變塔頂?shù)睦淠?。其傳熱基本方程為?/p>

Q=KFΔT

式中 F——傳熱面積，m2;

K——傳熱系數(shù)，W/（m2·K）;

ΔT——流體平均溫差，K。

通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水流量來(lái)控制冷凝率的主要流程如圖2所示（其中，F(xiàn)C為流量控制器）。當(dāng)塔頂壓力升高時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度增加，冷卻水量增加，冷卻水出口溫度下降，ΔT增加，由于F不變，冷凝率增加，則塔壓下降直到設(shè)定值，反之亦然。

2.2 操作特性

該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)閥的直徑一般較小，投資成本較低。缺點(diǎn)包括：

a. 冷卻水量與冷凝率之間為非線性關(guān)系，且存在滯后現(xiàn)象。套管冷凝器中水流速度需大于1.5 m/s，水在冷凝器中停留時(shí)間最好小于45 s，否則滯后更大，影響調(diào)節(jié)效果。

b. 當(dāng)塔頂溫度大于60 ℃時(shí)，調(diào)節(jié)冷卻水量可能使冷卻水出口溫度過(guò)高導(dǎo)致加快水垢的生成和冷凝器的腐蝕，所以當(dāng)冷凝器冷凝溫度超過(guò)60 ℃時(shí)，不宜采用該方法。

c. 對(duì)于大型裝置，即冷卻水量、管徑都較大時(shí)，通常采用蝶閥作為控制閥，但控制效果并不理想。

3 控制冷凝器的有效面積

3.1 控壓原理

通過(guò)冷凝器的有效面積來(lái)控制精餾塔壓力的方法也稱為浸沒(méi)式冷凝器壓力控制方案，采用調(diào)節(jié)閥對(duì)冷凝器的浸沒(méi)面積進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控壓。調(diào)節(jié)閥可以設(shè)置在塔頂冷凝器與回流罐之間的管線上，俗稱“液相卡脖子”，其主要流程如圖3所示。當(dāng)塔頂壓力升高時(shí)，控制閥的開度增大，冷凝器的有效面積增加，從而加大了塔頂氣相冷凝率，此時(shí)塔頂壓力下降直至設(shè)定值，反之亦然。由于采用浸沒(méi)冷凝器部分面積來(lái)進(jìn)行控壓，故而凝液是過(guò)冷狀態(tài)。有學(xué)者認(rèn)為，過(guò)冷所需面積可考慮在設(shè)計(jì)余量中，另有學(xué)者認(rèn)為需考慮25%左右余量，因此在實(shí)際運(yùn)用中建議按工藝流程的成熟度進(jìn)行具體考量。

浸沒(méi)式冷凝器壓力控制方案中，調(diào)節(jié)閥也可以考慮布置在塔頂與冷凝器之間的管線上，可使調(diào)節(jié)速度更加高效，這種壓力控制方案俗稱為“氣相卡脖子”，其主要流程如圖4所示。該方案通常適用于氣相壓力高、管徑相對(duì)較小的工況，但是增大調(diào)節(jié)閥的尺寸會(huì)造成投資加大。

3.2 操作特性

該方案的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

a. 避免了惰性氣體引入;

b. 操作簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)速度相對(duì)較快;

c. 冷凝冷卻器設(shè)備結(jié)構(gòu)、布置簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)如下：

a. 凝液過(guò)冷溫度不恒定，冷凝管需從回流罐的底部進(jìn)入或插入底部，并設(shè)置氣相平衡管道，且尺寸不宜太小。

b. 進(jìn)料量組成變化或塔釜上升蒸汽量變化會(huì)引起塔頂氣量變化，導(dǎo)致控壓不穩(wěn)定。例如，當(dāng)塔頂氣量增加而導(dǎo)致塔頂壓力增大，調(diào)節(jié)閥便會(huì)開大，冷凝冷卻器浸沒(méi)面積減小，凝液溫度升高，回流罐內(nèi)壓力升高。此時(shí)回流罐壓力對(duì)調(diào)節(jié)閥開度打開起到了反制作用。這種負(fù)偏差沒(méi)有很好的處理方法，因此造成塔壓不穩(wěn)定。

c. 在布置冷凝器的液相出口管道時(shí)必須考慮液體的重力流，并注意調(diào)節(jié)閥的尺寸需與管道壓降匹配。

4 熱旁路的控制方法

4.1 單調(diào)節(jié)閥熱旁路控壓方案

4.1.1 控壓原理

熱旁路控制系統(tǒng)是指除了在精餾塔的塔頂氣相出料采用冷凝器冷卻后進(jìn)入回流罐外，還會(huì)再增加一根帶有控制閥的旁路管線。通常在布置時(shí)冷凝器位于回流罐的下方平臺(tái)，也有直接置于地面的。這種采用浸沒(méi)式的方法結(jié)合溫度較高的旁路進(jìn)行調(diào)節(jié)，壓力傳送器可以設(shè)置在塔頂或氣相出口管線上，其主要流程如圖5所示。通過(guò)熱旁路調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)整氣相流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷凝器的浸沒(méi)面積，以此達(dá)到控壓目的。例如，當(dāng)壓力高于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥關(guān)小，回流罐的壓力會(huì)因?yàn)闇囟鹊慕档投鴾p小，冷凝器側(cè)受壓差影響將減小浸沒(méi)面積，從而增大冷凝效率而降低塔壓，直至達(dá)到設(shè)定值，反之亦然。

4.1.2 操作特性

通常冷凝器布置在回流罐下方3～5 m。該方案適用于大型冷凝器，特別是組合式大型冷凝器裝置控壓，這是因?yàn)樗司薮罄淠魉璧闹谓Y(jié)構(gòu)，也不需要巨型冷卻水管道設(shè)置在較高位置上，不僅降低了設(shè)備和管道安裝投資費(fèi)用，也節(jié)約了維修費(fèi)用。

4.1.3 使用范圍

對(duì)于壓力較高且餾出液為窄餾分的情況，當(dāng)氣溫驟變（如下雨等）對(duì)控制造成干擾時(shí)，雖然氣體管和回流罐已做保溫處理，但微小的溫度變化就會(huì)引起熱旁路氣體和冷凝管溫度的較大變化，進(jìn)而引起系統(tǒng)壓力變化，此時(shí)不宜再選用單調(diào)節(jié)閥熱旁路控壓方案。

4.2 雙調(diào)節(jié)閥熱旁路控壓方案

對(duì)于單調(diào)節(jié)閥熱旁路控壓方案在使用中存在的問(wèn)題，可采用雙調(diào)節(jié)閥控壓方案進(jìn)行優(yōu)化，但兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的設(shè)置容易產(chǎn)生互擾，根據(jù)控制原理可分為正偏差互擾和負(fù)偏差互擾。

4.2.1 正偏差互擾控壓

雙調(diào)節(jié)閥熱旁路正偏差互擾控制系統(tǒng)如圖6所示。冷卻水量不變，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凝器凝液罐口閥門開度來(lái)改變冷凝器有效冷凝面積，從而達(dá)到控壓目的。為了增加冷凝器過(guò)冷凝液進(jìn)入回流罐的靜壓頭，熱旁路調(diào)節(jié)閥控制回流罐壓力使得回流罐壓力低于塔頂壓力，以滿足水力學(xué)計(jì)算要求。

操作特性如下：

a. 當(dāng)塔頂壓力升高時(shí)，為了維持回流罐壓力恒定，熱旁路調(diào)節(jié)閥首先關(guān)小，使塔頂氣相管線壓力進(jìn)一步升高，同時(shí)壓力傳感器PC控制冷凝液出口管線閥門打開，冷凝器浸沒(méi)面積減小，有效換熱面積增大，氣體冷凝率增加，壓力逐漸恢復(fù)到設(shè)定值，反之亦然。

b. 在調(diào)節(jié)過(guò)程中，熱旁路調(diào)節(jié)閥首先動(dòng)作，通過(guò)調(diào)整氣閥流量以維持回流罐壓力穩(wěn)定，但由于熱旁路調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作會(huì)使塔頂壓力進(jìn)一步偏離設(shè)定值，此時(shí)壓力傳感器通過(guò)調(diào)整回流罐液相進(jìn)口管線閥門開度來(lái)調(diào)整冷凝器的有效面積，此過(guò)程對(duì)壓控具有正向作用，即正偏差。但此正偏差會(huì)使得壓控波動(dòng)幅度更大。

c. 為了避免兩支調(diào)節(jié)閥互擾造成正偏差，造成壓控波動(dòng)幅度過(guò)大，設(shè)置熱旁路調(diào)節(jié)閥為“慢調(diào)”，凝液罐口調(diào)節(jié)閥為“快調(diào)”。即對(duì)熱旁路調(diào)節(jié)閥設(shè)置一個(gè)滯后偏差階段，從而降低由雙調(diào)節(jié)閥正偏差互擾而造成的壓力波動(dòng)。

4.2.2 負(fù)偏差互擾控壓

雙調(diào)節(jié)閥熱旁路負(fù)偏差互擾控制系統(tǒng)如圖7所示（其中，PT表示壓力變送器）。冷卻水量不變，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凝器罐口調(diào)節(jié)閥流量來(lái)改變冷凝液的有效冷凝面積，從而達(dá)到控壓目的。為了增加冷凝器過(guò)冷液進(jìn)入回流罐的靜壓頭，熱旁路控制塔頂壓力和回流罐壓力的壓差即DPC控閥，使回流罐壓力小于塔頂壓力，以滿足水力學(xué)計(jì)算要求。

操作特性如下：

a. 當(dāng)塔頂壓力增大，為了維持塔頂壓力與回流罐壓力之間的壓差，熱旁路調(diào)節(jié)閥首先開大，使回流罐壓力增大。由于回流罐壓力增大反制于液控閥罐口流量的流出，即壓控閥受PT控制，閥門開度增大使得冷凝器有效冷凝面積增大，汽體冷凝率增加，壓力逐漸恢復(fù)到設(shè)定值，反之亦然。

b. 以圖7a為例，在調(diào)控過(guò)程中，DPC控閥首先反應(yīng)使回流罐壓力增加，進(jìn)而阻礙液閥流量流出，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，液控閥可能發(fā)生無(wú)法打開的現(xiàn)象。當(dāng)液閥受PT控制強(qiáng)行打開后兩支調(diào)閥發(fā)生互擾，對(duì)壓控起反向作用，即負(fù)偏差。此種負(fù)偏差會(huì)使得壓控出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

c. 為了避免兩支調(diào)閥互擾造成負(fù)偏差，導(dǎo)致壓控發(fā)生滯后現(xiàn)象，設(shè)置PT為“快調(diào)”、DPC為“慢調(diào)”。即對(duì)DPC調(diào)閥設(shè)置一個(gè)滯后偏差階段，使DPC滿足水力學(xué)計(jì)算要求，從而減緩由雙控閥負(fù)偏差互擾而造成的控閥滯后現(xiàn)象。

4.3 小結(jié)

熱旁路的控制方法較為簡(jiǎn)單，而且效果顯著，對(duì)不同的流程也可以進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整，主要優(yōu)點(diǎn)包括：

a. 回流罐大多布置于平臺(tái)上，可以為回流泵提供更高的凈正吸入壓頭;

b. 冷凝器可以安裝在較低的位置甚至是地面上，這樣便可以取消支撐結(jié)構(gòu)，不僅降低了投資成本，同時(shí)還使冷凝器的維護(hù)和清潔更加方便;

c. 可以極大地減小安裝在熱旁路管道上的調(diào)節(jié)閥尺寸，對(duì)于采購(gòu)和安裝均具有一定的優(yōu)勢(shì);

d. 采用氣相壓力調(diào)節(jié)更加便捷和迅速。

對(duì)于雙閥模式，采用“快調(diào)”和“慢調(diào)”的組合方式，可以有效減少雙閥的互擾，發(fā)揮更大的調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)，因而熱旁路的控制方法在大量裝置中已經(jīng)廣泛使用。

5 真空裝置控制壓力

目前大多數(shù)真空蒸餾塔的壓力控制借助于蒸汽噴射泵、水噴射泵和電動(dòng)真空泵實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)真空系統(tǒng)管路的氣量在精餾塔內(nèi)建立真空環(huán)境，一方面可以對(duì)設(shè)備的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，另一方面也可以控制循環(huán)量或不凝氣的采出量從而進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。

5.1 蒸汽噴射泵

蒸汽噴射泵利用蒸汽作為動(dòng)力，使系統(tǒng)不凝氣抽出以維持塔頂真空度，工藝流程如圖8所示。

操作特性如下：

a. 無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，同時(shí)多級(jí)蒸汽噴射泵串聯(lián)運(yùn)行能夠獲得較高的真空度，六級(jí)蒸汽噴射泵能達(dá)到0.01 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）。

b. 對(duì)蒸汽壓力的波動(dòng)非常敏感，因此在蒸汽管線上要設(shè)置蒸汽壓力調(diào)節(jié)器，以保證蒸汽噴射泵的最佳蒸汽壓力。

c. 取壓點(diǎn)可設(shè)在塔頂或塔頂氣相管線上。當(dāng)系統(tǒng)真空度低于給定值時(shí)，關(guān)小調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)中不凝氣抽出量增加，以提高系統(tǒng)真空度，反之亦然。

d. 若不凝氣中含有易燃易爆有機(jī)物，則噴射泵排出蒸汽的管線上應(yīng)設(shè)置一臺(tái)冷凝冷卻器，將凝液冷卻至40 ℃左右經(jīng)液封排去凝液回收系統(tǒng)或含油廢水系統(tǒng)，液封管長(zhǎng)度按真空度要求而定，通常為10 m。廢蒸汽中若含有有機(jī)物，則需經(jīng)壓縮至火炬或爐子系統(tǒng)進(jìn)行燃燒，以符合環(huán)保要求。

5.2 液環(huán)式真空泵

液環(huán)式真空泵控制真空塔壓力如圖9所示，依靠電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)不凝氣抽出量來(lái)保證真空度恒定，然后經(jīng)壓縮去爐子或火炬系統(tǒng)，目前該設(shè)備已經(jīng)可以加壓至200～300 kPa。

操作特性如下：

a. 調(diào)節(jié)閥設(shè)置在真空加壓泵回流管上，當(dāng)塔頂真空度高于給定值時(shí)，回路調(diào)節(jié)閥開度增加，反之亦然。

b. 與多級(jí)真空泵相比，液環(huán)式真空泵雖然真空度較低，但無(wú)需回收凝液、液封、廢氣加壓設(shè)施。

6 結(jié)束語(yǔ)

在精餾塔全凝壓力控制方案的使用中，由于各種控制方案有著不同的邏輯和系統(tǒng)，故而實(shí)際使用過(guò)程中也需要因地制宜。透過(guò)現(xiàn)場(chǎng)看本質(zhì)，可以發(fā)現(xiàn)所有的控制均是對(duì)塔頂氣相出料的冷凝過(guò)程或采出過(guò)程進(jìn)行調(diào)整和控制，以穩(wěn)定精餾塔系統(tǒng)的壓力。所以當(dāng)實(shí)際設(shè)計(jì)工作中涉及到相應(yīng)的問(wèn)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)具體分析精餾塔的操作壓力、操作溫度、進(jìn)料情況及流程特點(diǎn)等，綜合比較全面評(píng)估各控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，以采用最適合的壓力控制方案。若實(shí)際流程較為復(fù)雜或特殊，也可以嘗試考慮采用多種不同的控制方案相結(jié)合的方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足工藝流程的實(shí)際需求，最終實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化精餾塔壓力穩(wěn)定控制的目標(biāo)。