氨精餾塔控制工程設計

郭倩，劉長亮

（北京沃利帕森工程技術有限公司，天津 300201）

1 氨精餾原理及工藝流程

1.1 精餾塔原理

精餾過程，就是利用混合液中各組分具有不同的揮發度，即在同一溫度下各組分蒸汽壓不同這一性質，使液相中的輕組分轉移到氣相中及氣相中的重組分轉移到液相中，從而實現組分分離的目的。因此，精餾過程實質上是用來分離混合物的一種傳質過程。在石油化學工業中，許多原料、中間產品或半成品往往是由若干組分所組成的混合物。這些都得應用精餾操作將混合物分離成各種規格的石油化工產品。

利用自動化技術，如果對精餾塔控制得好，不但能提高產品質量和回收率，還有利于環境保護和節約能源。因而，精餾塔操作的自動控制極為重要。一般說來精餾塔的控制，應滿足如下三個方面的要求：

1.質量指標：塔頂或塔底產品之一應保證合乎規定的純度，而另一產品的成分亦應維持在規定的范圍內；或者塔頂和塔底產品都能保證一定的純度；2.物料平衡：塔頂餾出液和塔底釜液的平均采出量之和應該等于平均進料量，而且這兩個采出量的變動應該比較緩和，以利于上下工序的平穩操作，塔內及頂、底容器的蓄液量應介于規定的上、下限之間。此外，塔頂壓力要相對穩定，以利于塔的平穩運行；3.約束條件：為了使精餾塔操作正常進行，必須滿足一些約束條件，如塔內汽液兩相流速控制在適當的范圍內等。

1.2 精餾塔的自動控制

1.2.1 精餾塔的組成

塔頂配有冷凝器，部份冷凝液可直接作為回流液使用。氨水溶液自塔的上中層塔板之間進入，加料口之上為精餾段，下部為提餾段。塔底配置有再沸器，蒸汽為熱源。被加熱的洗水，利用熱虹吸原理進行自然對流循環，解吸完全后的水（約含0.11%NH3），由泵送入吸收塔繼續吸收工藝氣中的氨。塔上部冷凝的氨，去液氨貯槽，殘余的惰性氣體通過控制閥放空。

1.2.2 控制參數確定

精餾塔被控變量的選擇，主要是指實現質量控制和表征產品質量指標的選擇，以及檢測點部位的確定。

本塔的產品質量指標有二個：①塔頂餾出液的液氨的純度≥99.5%；②塔底排放的污水(即塔釜液)須確保環保要求的排放指標。

一般來說，精餾溫度高，餾份在塔上部水冷器未完全冷凝就部分地隨尾氣排出，從而減少成品氨的產量；精餾溫度低，餾份未全部分離，使得成品氨中帶水，影響合成氨的質量。一般控制在80～110℃之間，最好100℃。

精餾壓力也是控制餾份的重要參數之一。在一定溫度條件下，壓力低則利于氨的解吸、冷凝。壓力高易增加氣態氨在氣相中的溶解度，減少氨的冷凝，一般控制在2.6～2.78MPa 之間。

在精餾塔的的操作過程中，塔釜、回流量、回流罐、成品貯槽等的液位必須設置相應的檢測和控制系統。這也是考慮了維持塔的穩定操作的必要條件，其中尤以塔釜液位和回流罐液位的控制顯得更加重要。

1.2.3 塔內壓力的控制

精餾塔的正常操作是建立在塔內壓力恒定的基礎上。但在精餾過程中，進料量，成分和溫度變化，加熱蒸氣量的變化，回流液的量和溫度變化，冷卻水壓力的波動等，都將導致塔壓波動，結果會使整個塔的正常操作被破壞，最終將影響到產品質量。可見設計塔壓自動調節是必不可少的。

氨精餾塔是常壓塔，塔頂操作壓力指標在2.6～2.78MPa 之間。故本設計選取了通過對塔頂壓力的控制來達到控制整個塔內壓力的控制方案。

在冷凝器和中間槽上都設置了放空管，而在放空總管上設置了一個控制放空量的調節閥，此閥受塔頂壓力控制。也就是說根據塔頂壓力超標的情況來控制塔頂蒸汽的放空量，以使塔頂壓力穩定在規定的操作指標上，從而也就相對地穩定了整個塔內壓力。

2 測量儀表及其選型

2.1 溫度測量儀表

本設計的現場溫度儀表選用天津歐迪有限公司的雙金屬溫度計。所選儀表的精度等級為1.0 級，儀表表殼采用防腐材料，其耐溫高達200℃，低為-40℃。完全符合設計工藝的要求，

溫度傳感器選用天津市中環溫度儀表有限公司生產的ZHRT 系列熱電阻。由于設備所需的溫度不高，若采用熱電偶，溫度低反應不靈敏且價格較高不宜使用。銅熱電阻，因生產的產品為液氨，銅電阻容易被腐蝕，也不宜使用，故鉑熱電阻溫度傳感器是本設計的最佳選擇。

2.2 壓力測量儀表

2.2.1 壓力儀表的選擇

在壓力測量中，考慮的重點可較少的注意流體特性對測量的影響，而更多地考慮精確度、測量范圍和材質的選擇。

2.2.2 本設計就地壓力表采用彈簧管式

其基本原理是依據彈性元件受壓后產生的彈性反作用與被測壓力相平衡，然后彈性測量彈性元件的變形量大小即可知被測壓力的大小。

彈性元件是測量儀表的關鍵元件。為了保證儀表的精度、可靠性及良好的線性彈性，彈性元件必須工作在彈性限度范圍內，而彈性元件的彈性后效和彈性滯后要小，溫度系數也要低。

彈簧管的材料根據被測介質特性和被測壓力高低決定。P＜20MPa 時采用磷青銅，P＞20MPa 時采用不銹鋼和合金鋼。測量氨氣壓力時必須采用耐腐蝕的不銹剛彈簧管；測乙炔壓力時不得用銅質彈簧管；測氣體壓力時禁沾有油脂，否則將有爆炸的危險。

就地壓力儀表是安裝在管道上，用來指示現場壓力，本設計采用北京布萊迪儀器儀表公司的YTPF-100FC 型全不銹鋼防爆壓力表，對氨精餾進行壓力測量，氨是可燃性氣體，在儀表選型時應根據被測介質的特性，選擇合適的外殼材料及防護等級。

2.2.3 壓力變送器的選擇

本設計采用羅斯蒙特公司的電容式變送器。

電容式壓力變送器是利用電容變換元件將被測變化轉換成電容變化的傳感器。電容傳感器結構簡單、靈敏度高、動態特性好、靜電引力好、自熱效應低，有較好的信噪比和系統穩定性。

選型時應注意：①信號輸出時，應選用變送器；②易燃、易爆場合，應選用防爆型變送器，采用法蘭連接。

3 液位測量儀表

液位是指容器中液體表面的高度。所謂容器，可以是工業過程中的罐、塔等容器設備，也可以是高樓水箱、引水隧洞等。

物位檢測在現代化工業生產過程中具有重要地位，是控制生產過程、保證產品質量、確保生產安全的重要手段之一。

3.1 磁翻柱式液位計

磁翻柱式液位計顯示部分由一系列磁翻柱組成。磁翻柱一般用塑料或陶瓷材料制成。每個磁翻柱的兩半圓涂以不同的顏色，例如一半是白色，另一半是紅色或藍色。當浮子上升時浮子內永久磁鐵耦合將磁翻柱推轉1800，從白色變成紅色。向下則同樣的道理。顯示方法直觀，無須電源?？蛇m用于腐蝕性、易燃性、強輻射性、擾動的、污濁的液體，其適用溫度范圍寬（典型產品可從-160℃～+450℃），耐壓范圍也較寬（典型產品可從真空到42MPa）。經過特殊處理還可用以界面測量，在此基礎上，還可增加信號遠傳及報警功能，變成液位變送器和液位控制開關。

3.2 液位變送器的選擇

現場液位計采用上海達達自控設備有限公司的UCM-FC 系列磁翻柱浮球液位計，其測量范圍大精度高，受環境的影響因素較小還具有防暴功能，適合在生產氨的工藝現場使用。

由于液氨具有腐蝕性，且與空氣混合易引起爆炸，所以在選擇液位計時選用了具有抗腐蝕，防爆特性的儀表，采用雙法蘭能更安全地達到測量的目的。

4 流量測量儀表

4.1 漩渦流量計是通過檢測流體中由特殊形狀的阻擋元件形成的分列漩渦頻率來測量流體速度的流量測量儀表，可用于測量液體、氣體或蒸汽等流體流量。

一般說渦銜流量計輸出信號（頻率）不受流體物性和組分變化的影響，是指儀表系數僅與旋渦發生體形狀和尺寸以及雷諾數有關。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質量流量時，儀表輸出信號需同時監視體積流量和流體密度，流體物性及組分對流量計量有直接影響。

4.2 選用時應注意：①渦銜流量計適用的流體種類較多，液體、氣體、蒸汽、部分混相液體皆可應用，不適于低雷諾數（ReD≤2×104）流體，高粘度可能影響渦銜的形成。口徑一般為DN25～300mm；②脈動流會對儀表產生嚴重的影響。引起流體脈動的動力機械作用下的脈動流頻率如果在渦銜工作頻帶內會引起共振。另外引起管道振動亦是一大忌諱；③渦銜流量計的準確度對于液體一般為（±0.5%～±2%）R，氣體為（±1%～±2%）R，重復性為±0.2%～±0.5%。儀表口徑選擇對儀表能否正常工作影響很大，它類似于截流裝置計算；④渦銜流量計是對流場畸變、旋轉流等較敏感的流量計，應有足夠長度的直管或裝設流動調節器（整流器）才能保證測量精度。

4.3 流量變送器的選擇

旋渦流量計是通過檢測流體中由特殊形狀的阻擋元件形成的分列漩渦頻率來測量流體速度的流量測量儀表，外部的結冰不會影響儀表的正常工作。防爆型儀表能保證氨工藝生產的安全。

5 結束語

精餾塔的控制目標是：在保證產品質量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即總收益最大，成本最小。而精餾過程是在一定約束條件下進行的。因此，精餾塔的控制要求可從質量指標、產品產量、能量消耗和約束條件四方面考慮。綜合工藝條件來選擇溫度，壓力，液位，流量等測量儀表。