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1、2023年7月2日星期日,第1页,概述,在石油、化工工业中，许多原料、中间产品或粗成品，往往全是由若干组分所组成的混合物，需要通过精馏过程进行分离或精制。精馏塔就是用于精馏过程的重要设备。据统计，在石油和化学工业中，大约4050的能量消耗在精馏设备中。因此，精馏塔的控制一直是过程控制领域普遍重视的问题。精馏塔是个多参数的被控对象。它的通道很多。它由多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作用的响应缓慢，参数间相互关联，而不同工艺要求下塔的结构也各不相同且控制要求又较高所有这些都给精馏塔的控制带来一定的困难。,2023年7月2日星期日,第2页,3.1 工艺流程及基本技术指标,精馏塔的控制任务及其变量配
2、对关系 对精馏塔的控制要求通常为质量指标、产品产量、及能量消耗三个方西。质量指标是指使塔顶产品中的轻组分（或重组分杂质）含量符合技术要求；或使塔底产品中重组分（或轻组分杂质）符合技术要求。质量指标是精馏塔控制中的关键，因此，精馏塔的控制任务是在保证质量指标的前提下使产品产量尽量高，能量消耗尽量低。,2023年7月2日星期日,第3页,石化一些简单知识,乙烯在常温下为无色、易燃烧、易爆炸气体，以它的生产为核心带动了基本有机化工原料的生产，是用途最广泛的基本有机原料，可用于生产塑料、合成橡胶，也是乙烯多种衍生物的起始原料。裂解的原料烃有气态和液态之分，气态的有炼厂气、天然气的凝析液，液态的有汽油、煤
3、油、柴油。原油在高温的裂解炉管内生成焦炭，不能长期运转，自今未能在工业应用。,2023年7月2日星期日,第4页,气态原料裂解温度高，乙烯收率高（可达85），操作方便（裂解管不易结焦），但原料资源少，副产少。液态原料来源广泛，裂解温度低，收率较低（乙烯收率为25 30），但副产物多，便于综合利用，生产中需定时清除炉管内的焦炭。为减少在炉管中生成焦炭，裂解原料中加入水蒸气。裂解炉有多种型式，核心是放在炉膛内成排的炉管，采用专门的燃烧器向炉管供热。物料离开裂解炉的温度为850-900。,2023年7月2日星期日,第5页,原料经加热后进入裂解炉，产生的高温裂解气先入急冷锅炉快速降温（产生的高压水蒸气可
4、带动压缩机），然后再用冷油和水降温，冷却后的气体进分离工序。以柴油原料获得的裂解气组成十分复杂，主要是乙烯，丙烯（合计占45），其余为氢和甲烷（约10），乙烷和丙烷（约10），碳四馏分（约10）以及碳五和以上馏分（约20）。少量有害杂质为水、硫化氢、二氧化碳、乙炔等。通常采用加压低温精馏的方法分离乙烯及各种有用产物，具体工艺流程的安排与裂解气组成及产品纯度要求有关。,2023年7月2日星期日,第6页,乙烯精溜塔前期部分工艺流程,1、干燥器 2、冷箱 3、脱甲烷塔 4、脱乙烷塔 5、加氢脱炔反应器 6、绿油塔 7、乙烯塔,2023年7月2日星期日,第7页,乙烯精馏塔进料中乙烯和乙烷占有99.5%
5、以上，其余为甲烷。就相对挥发度来说，甲烷最低，乙烯次之，乙烷最高。对于三种组分的分离，乙烯精馏塔采用深冷分离流程，用带有中间再沸器和侧线出产品的乙烯塔，其工艺流程如图，基本工艺分析如下：,2023年7月2日星期日,第8页,1、由绿油塔来的C2组分从第98块塔板以气液两相混合进料，由于精馏塔提供了分离空间，实现了气液两相分离，气相（乙烯及少量甲烷）上升，液相乙烷下降。2、液相在向下流动过程中，在每块塔板上与自提馏段的上升蒸气接触，致使其中的轻组分（乙烯及少量甲烷）汽化上升，重组分继续以液相下降。越向下，重组分的纯度越高。3、被汽化上升的轻组分中含有部分气相甲烷，在经过精馏段的每块塔板时与向下流动
6、的乙烯回流液接触，致使这一部分甲烷变为液相下降。越向上，轻组分的纯度越高。,2023年7月2日星期日,第9页,4、上升至塔顶的轻组分中为气相的乙烯及少量甲烷，它们经塔顶冷凝器乙烯冷凝为液相，在分离器中实现气液分离，甲烷以气相采出，乙烯作为回流液从第一块塔板处流入精馏塔，流至第八块塔板时侧线采出，进入乙烯分离器分离后，以液相产品乙烯采出，分离器上部的气相再次进入精馏塔冷凝分离。5、塔釜得到产品乙烷，一部分作为液相产品采出，另一部分由塔釜再沸器加热汽化后作为上升蒸气，用以提供精馏所需能量。,2023年7月2日星期日,第10页,6、为了提高乙烯产品的纯度，在乙烯精馏塔的精馏段工艺上采用了较大的回流比
7、，这一做法对于精馏段是有好处的，但对于提馏段并非必要，故乙烯塔中大多采用中间再沸器回收冷量，以提高上升蒸气量，从而达到提高负荷的目的。一般地，进料中乙烯及乙烷占有99.5%以上，乙烯精馏塔理论上仍为二元体系。该乙烯乙烷二元系统的自由度为2，因此，在实际工艺中压力和温度是相互联系的。控制其中一个变量，即可实现对质量指标的控制，这是设计和实施控制方案的基本依据之一。,2023年7月2日星期日,第11页,3.2 典型控制方案分析,乙烯精馏塔管道及仪表流程图如图，其主要控制方案包括中间再沸器液位与侧线加热流体流量的选择性控制系统、乙烯回流罐液位与乙烯回流流量串级控制系统、乙烯回流与乙烯产品采出量的比值
8、控制系统、塔顶冷凝器乙烯排气流量控制系统、塔压控制系统以及相关变量的显示、记录、联锁和报警等。各控制回路既相互独立又彼此联系，总体上保证了工艺的物料平衡和能量平衡，从对各回路变量的控制要求来看，主要是采用集散型控制系统（DCS）控制，各主要变量均在计算机屏幕或DCS仪表上显示记录。,2023年7月2日星期日,第12页,2023年7月2日星期日,第13页,321中间再沸器液位选择性控制系统,乙烯塔中采用中间再沸器E-EA-104产生上升蒸气。从第105块塔板侧线流出的液相流体流入中间再沸器壳程，被管程中的裂解气余热加热汽化后气相流入乙烯精馏塔，从第108块塔板处进入作为上升蒸气，为精馏塔的物料分
9、离提供了能量。本段工艺既要保证足够的流量，以满足上升蒸气的要求，又要保证中间再沸器的液位不能太低，以保护设备。,2023年7月2日星期日,第14页,流量变送器FT-127测量从第105块塔板侧线流出的液相流体流量，并将信号送到控制器FIC-127，进行运算后用内部数据线将结果送至选择器FX-127。同时，液位变送器LT-111测量中间再沸器液位，并将信号送到控制器LICA-111，进行运算后用内部数据线将结果送至选择器FX-127，两路信号选择性输出至转换器FY-127A转换为气信号，通过电磁阀FY127B操纵控制阀FV-127。正常情况下进行流量控制，以满足上升蒸气量的要求。当再沸器中的液位
10、偏低时，进行液位控制，以保持中间再沸器正常工作。,2023年7月2日星期日,第15页,根据需要，对中间再沸器液位设置了就地指示（LI-111）和控制室屏幕显示报警（LI-CA-H-L）。另外，再沸器壳程介质裂解气出口温度需要在控制室进行屏幕显示。电磁阀FY-127B的联锁信号来自DCS的塔压联锁报警系统PAS-136。,2023年7月2日星期日,第16页,3.2.2塔顶回流罐液位与回流量串级控制系统,乙烯精馏塔的塔顶采出气相乙烯和少量甲烷，它们被冷凝器冷凝后进入回流器，实现了气液分离。罐内气相排出为少量乙烯和甲烷。液相为乙烯，经回流泵E-GA-103A/B打入精馏塔的第一块塔板作为回流液。本方
11、案中采用了乙烯回流罐液位与回流量的串级控制系统。回流罐液位过高不利于分离，太低则会出现空罐的危险。因此，液位是串级控制系统的主变量，回流量为副变量。由变送器LT-128测得的回流罐液位信号送至控制室控制器LIC-112运算后，作为流量控制器FIC-128的外给定，实现了串级控制，FY-128为电气阀门定位器。回流量设置了控制室屏幕显示，回流罐液位设置了现场显示和控制室屏幕显示。,2023年7月2日星期日,第17页,3.2.3 乙烯回流与乙烯采出量比值控制系统,精馏塔操作的一个重要指标是回流比，即回流量与乙烯采出量之比。为了满足这一操作要求，控制方案中采用了回流量与乙烯采出量的比值控制系统。从F
12、IC-128引来的回流液流量信号经运算器FFY-128进行比率运算后作为流量比率控制器FFRC-125的外给定，此控制器的输出经电气阀门定位器FY-125转换为气信号后作为控制阀FV-125的输入信号，从而实现了回流量与采出量的比值控制。回流比设置了控制室屏幕显示和实时记录。,2023年7月2日星期日,第18页,3.2.4 塔顶冷凝器乙烯排气流量控制系统,乙烯回流罐中的气相为甲烷和部分乙烯，这些介质被连续排出，作为脱甲烷塔的辅助进料。为了保证回流罐内的压力稳定，对这些介质的排出采取了定值控制措施，该控制系统由流量变送器FT-129、控制器FIC-129、电气阀门定位器FY-129及控制阀FV-
13、129构成，乙烯排气量设置了控制室屏幕显示。,2023年7月2日星期日,第19页,3.2.5 塔压控制系统,精馏塔是一个二元系，在温度和压力中只要有一个稳定即可，本方案中采用了以塔压为被控变量，回流罐的排气量为操纵变量的压力控制系统。另外，塔压经变送器PT-121、控制器PRC-121后作为高液位超驰控制系统信号，也是控制塔压的辅助手段。塔压设置了控制室屏幕显示和记录。,2023年7月2日星期日,第20页,在图3-3中，还设置了相关的控制室显示记录，包括中间再沸器用裂解气出口温度显示TI-125、塔顶采出温度显示TI-126、塔釜温度显示TI-127、塔顶与塔釜压力差显示PDI-120、塔釜采
14、出循环乙烷温度显示TI-129、循环乙烷流量显示FR-130、乙烯产品采出温度显示TI-130-1、回流液温度显示TI-132、乙烯排气温度显示TI-134、乙烯采出成分测量AT-107和记录ARC-107等。相关的现场显示要求有塔釜压力显示PI-1010、乙烯回流泵出口压力显示PI-1012A/B等。,2023年7月2日星期日,第21页,总之，管道及仪表流程图是自控设计中设备选型和相关设计的基础，正确地识读管道及仪表流程图有助于对工艺机理的理解和控制方案的认识，是从事仪表专业人员的基本技能之一。,2023年7月2日星期日,第22页,2023年7月2日星期日,第23页,2023年7月2日星期日,第24页,
