三. 不凝氣存在時的塔壓控制
冷凝過程的物理機理相對其他傳熱過程（無相變換熱、沸騰傳熱）要復(fù)雜的多，尤其是多組分冷凝過程；如果存在不凝氣，傳熱過程還伴隨傳質(zhì)過程，物理機理以及數(shù)學(xué)模型計算變得復(fù)雜。在換熱器設(shè)計軟件使用手冊以及各大傳熱研究院的報告對多組分冷凝都有詳細(xì)的報告，例如HTFS report 《CM15》與《CM16》，HTRI report《CG-8》與《CG-9》。
例如，不凝氣存在下的Colburn-Hougen 模型如下圖所示，包含以下要點：
在蒸汽側(cè)，除了汽相主體（vapor bulk）外，在管壁上存在液膜層（condensate film）以及氣體邊界層（gas boundary-layer), 在液膜層以及氣體邊界層都存在溫度梯度以及濃度梯度。從汽相主體到管壁的傳熱需要穿過這兩層。
冷凝組分的傳質(zhì)也需要從汽相主體穿過氣體邊界層到達液膜表面，并且傳質(zhì)與傳熱同時發(fā)生并且互相作用。
圖：有不凝氣存在下的冷凝模型
在冷凝器中，除了可凝組分冷凝過程以外，其實還有蒸汽相去過熱過程（desuperheating）以及液相過冷過程（subcooling），這些過程沿著換熱管按照去過熱、冷凝以及過冷的順序依次發(fā)生。
單組份冷凝、多組分冷凝以及含不凝氣的多組分冷凝三種不同情形下，冷凝器內(nèi)部的T-H曲線如下圖：
圖：冷凝器內(nèi)部沿?fù)Q熱管的溫焓曲線（圖片來源：Aspen EDR培訓(xùn)材料）
理論上，精餾塔冷凝器只需將塔頂蒸汽冷凝到泡點溫度即可（無不凝氣存在時），但是考慮到回流泵的允許汽蝕余量，冷凝液需要一定程度過冷，冷凝器內(nèi)需要有一段過冷段。實際上，由于冷凝液液膜存在溫度梯度，液膜與蒸汽相接觸的表面（surface）為泡點溫度，而表面之下直至管壁面，都是過冷態(tài)，所以冷凝液相的主體溫度低于泡點溫度，處于過冷態(tài)。
冷凝相處于液相過冷態(tài)，對冷凝器的自由度又產(chǎn)生了影響。即使沒有不凝氣存在，過冷使可凝組分全部變?yōu)橐合啵鶕?jù)相律，系統(tǒng)自由度又變成了2，純液相時壓力與溫度互相獨立，此時液相的過冷溫度與塔頂汽相壓力不存在一一對應(yīng)關(guān)系，這又影響了壓力控制方案。所以，即使沒有不凝氣存在，也能通過直接控制冷凝液溫度來控制塔壓，而是直接控制冷凝負(fù)荷來控制壓力，如下圖所示。
圖：無不凝氣條件下的加壓塔頂壓力控制
盡管理論上冷凝系統(tǒng)應(yīng)該有2個自由度，但實際只剩下一個自由度。此時回流罐內(nèi)溫度只是低于泡點溫度，但具體溫度不可控，終點溫度這個自由度已經(jīng)被冷凝器換熱過程約束住，不再自由，不可獨立控制。如果想要再獨立控制回流溫度，則需要在冷凝器后增加一臺過冷器，通過控制過冷器的熱負(fù)荷來控制冷凝液終點溫度。
如上所述，無論有無不凝氣，精餾塔塔頂?shù)睦淠鞑僮鞫夹枰瑫r關(guān)注壓力和溫度，壓力要控制，但溫度不一定要控制甚至不能控制，只需低于某個值即可。實際操作中，絕對沒有不凝氣的情形幾乎不存在，塔的液相進料總會從上游儲罐或者緩沖罐中帶來一些溶解在液相中的不凝氣。
根據(jù)常壓精餾、真空精餾以及加壓精餾三種壓力情形，再考慮有和無不凝氣，產(chǎn)生不同組合情形下的控制方案。相對常壓與真空精餾，加壓精餾的壓力控制方案較多，相對復(fù)雜?！痘すに囋O(shè)計手冊》（第五版 下冊）以及《石油化工自動控制設(shè)計手冊》（第三版）均給出了不同組合下的壓力控制方案，讀者可直接查閱。本文只列舉部分情形：
1.加壓精餾
情形a：餾出物中中不凝氣較多
當(dāng)餾出物中不凝氣較多時，通過調(diào)節(jié)冷凝器以及回流罐中的不凝氣排放量，控制方案如下圖所示。圖片源自《石油化工自動控制設(shè)計手冊》（陸德明，第三版），下文不再說明。
至于”不凝氣較多“，較多到底指多少？手冊中提到”含少量不凝氣體“對應(yīng)為”塔頂氣相中不凝性氣體的含量小于塔頂氣相總量的2%“（文中未明確說明是質(zhì)量還是體積百分比，我認(rèn)為應(yīng)該為體積百分比），則以2vol%作為一個經(jīng)驗分界值。
由于不凝氣存在，系統(tǒng)有2個自由度，可以同時控制系統(tǒng)壓力以及冷凝終點溫度，但手冊中并沒有提及冷凝終點溫度的控制。實際操作時，確實很少控制冷凝終點溫度，只需保持冷卻水閥門全開即可。其原因是：1.冷凝只需保證有一定程度的過冷即可，無需精確控制。2.大精餾塔冷卻循環(huán)水流量大，管道較粗，控制閥成本太高，故不安裝。
如果冷凝器設(shè)計過大，冷卻水閥門全開導(dǎo)致冷凝液過冷度過高，勢必增加塔底熱負(fù)荷和蒸汽消耗。此時應(yīng)該通過手閥降低循環(huán)水流量，適當(dāng)減低過冷度。
如果冷卻介質(zhì)不是冷卻循環(huán)水，而是成本較高的冷凍水或更低溫度的冷卻介質(zhì)，則應(yīng)該增加溫度控制回路，通過調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量來控制冷凝終點溫度。
情形b：餾出物中有少量不凝性氣體
”當(dāng)塔頂氣相中不凝性氣體的含量小于塔頂氣相總量的2％時“（手冊原文），可采用冷劑控制與放空的分程控制方案，如下圖所示。首先用冷卻水調(diào)節(jié)閥控制塔壓，如冷卻水閥全開但壓力還降不下來時，再打開放空閥調(diào)節(jié)壓力。這種分程控制方式，即避免未被冷凝的可凝組分（或產(chǎn)品）被直接放空浪費，也節(jié)省了冷劑消耗以及塔釜熱負(fù)荷。
即使增加了冷劑控制回路，冷凝器也要充分設(shè)計好，換熱面積需足夠，保證冷凝有一定程度過冷。如果冷凝器設(shè)計偏小，即使冷卻水控制閥全開，也不能讓可凝組分全部冷凝，從而從放空管線排走，損失了物料。
如果冷凝器設(shè)計準(zhǔn)確，設(shè)計余量合適，并且冷劑成本低，也可以不對冷劑進行控制，直接冷劑閥門全開操作。
情形c：在餾出物中不含或僅含微量不凝性氣體
當(dāng)餾出物中不含或僅含微量不凝性氣體，手冊中給出多種控制方案，包括冷劑流量控制（如下圖）、塔頂汽相流量控制、熱旁路控制。
前文已提，塔進料總會帶入微量的不凝氣，微量不凝氣在塔頂長期聚集也會導(dǎo)致超壓，回流罐還是需要一個排氣管，所以不如也采用圖3-3-213的分程控制：沒有不凝氣聚集時排氣閥關(guān)閉，聚集至一定程度則排氣閥開始作用，參與壓力控制。
2.常壓精餾
在常壓精餾過程中，如果對塔頂壓力要求不高，允許小幅波動，則不必要設(shè)置壓力控制系統(tǒng)，可在冷凝器或者回流罐上設(shè)置一根連通大氣或常壓尾氣系統(tǒng)的管道來平衡壓力，以保持塔內(nèi)壓力接近于環(huán)境壓力。
”如果對常精餾時的塔壓控制要求較高，或者是用管道與大氣連通的方法導(dǎo)致空氣進入塔內(nèi)會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至?xí)蚩諝膺M人塔內(nèi)而有產(chǎn)生爆炸的危險時，就不能采用上述方法維持塔壓，而必須設(shè)置塔壓控制系統(tǒng)，使塔內(nèi)壓力通過控制后略高于大氣的壓力，其塔壓控制方案可采用加壓塔的塔壓控制方案“，最好使用萬能的圖3-3-213的分程控制方案。
3.真空精餾
真空精餾時，無論有無不凝氣，都需要依靠真空泵（水環(huán)泵或者噴射泵）的抽吸作用，所以兩種情況下的控制方案都一樣，均可使用萬能的圖3-3-213的分程控制方案，只是冷凝器氣相管線連接真空泵。
通常真空精餾時，冷凝溫度較低，終點溫度往往低于循環(huán)冷卻水溫度，不能完全以廉價的循環(huán)冷卻水作為冷劑作為冷卻介質(zhì)。此時采用二級冷凝是一種優(yōu)秀的設(shè)計方案（如下圖所示）：第一級冷凝器以低廉的冷卻水為冷卻介質(zhì)并且不加控制，不凝氣以及部分可凝蒸汽從第一級冷凝器氣相出口進入第二級冷凝器入口；第二級冷凝器以成本較高的冷凍水為冷卻介質(zhì)并控制過冷溫度，同時控制二級冷凝器的排氣量來控制塔壓。這種兩級冷凝方案可極大降低冷凍水的消耗，降低塔的運行成本。
圖：兩級冷凝的塔壓控制方案
如果真空泵為電動真空泵，可設(shè)置一條真空泵出口返回泵入口的循環(huán)管線，此時塔的尾氣管線不設(shè)置控制閥，而在真空泵的循環(huán)管線上設(shè)置控制閥，通過控制不凝氣的循環(huán)量來控制塔頂壓力，如下圖所示。這種配置，可保證真空泵的運行負(fù)荷穩(wěn)定。
綜上，圖3-3-213的冷劑控制與放空的分程控制方案是一種萬能的塔壓控制方案，在塔壓控制方案中應(yīng)優(yōu)先選擇，無論加壓、常壓還是真空精餾，無論餾出物中有無不凝氣。在真空精餾時，若冷凝泡點溫度低于冷卻循環(huán)水溫度，應(yīng)考慮二級冷凝甚至多級冷凝，以減低冷劑費用。
無論采用何種控制方案，冷凝器設(shè)計時一定要有足夠換熱面積，保證在實際運行時冷劑閥門全開時，最終冷凝溫度有一定程度過冷，否則必然導(dǎo)致可凝蒸汽不能完全冷凝而從排氣管線離開精餾系統(tǒng)。
未完待續(xù)，下文討論冷凝換熱器的設(shè)計與熱力計算。
參考資料：陸德明，《石油化工自動控制設(shè)計手冊》（第三版），2000年
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