催化重整分餾塔的控制分析

吳斌

催化重整分餾塔的控制分析

吳斌

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計(jì)分公司，北京100101)

針對(duì)分餾塔的控制要求,在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)產(chǎn)品回收率應(yīng)盡可能大，以催化重整裝置中重整油塔和苯塔為例，探討分析了單一的熱量平衡控制、熱量平衡-物料平衡控制、改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制和溫差-物料平衡控制，通過(guò)比較說(shuō)明了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了催化重整裝置中的分餾塔各適用哪種控制方案。重點(diǎn)討論了催化重整中廣泛使用的熱量平衡-物料平衡控制，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，介紹了其控制過(guò)程，同時(shí)為克服其缺點(diǎn)，在控制方案中引入加法器，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制，并給出了如何實(shí)現(xiàn)該改進(jìn)方案的DCS組態(tài)框圖，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了在組態(tài)中應(yīng)重點(diǎn)注意的事項(xiàng)。

分餾塔 熱量平衡-物料平衡控制 溫差-物料平衡控制

催化重整是煉油過(guò)程中的重要裝置，以石腦油為原料，產(chǎn)品主要為高辛烷值的汽油和芳烴，并副產(chǎn)氫氣[1]。分餾塔是煉油工藝中的重要靜設(shè)備，重整裝置中的石腦油分餾塔、脫戊烷塔和重整油塔等都屬于分餾塔。在對(duì)這些分餾塔設(shè)計(jì)自控方案時(shí)，不僅要求產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，同時(shí)要求產(chǎn)品的回收率能達(dá)到最大，為達(dá)到這一目標(biāo)，就要求采用的控制方案能保證分餾塔的物料平衡和熱量平衡都能保持相對(duì)穩(wěn)定[2]。遵循這一原則，在實(shí)踐中分餾塔的控制算法得到不斷改進(jìn)，歸納起來(lái)有如下幾種： 單一的熱量平衡控制、熱量平衡-物料平衡控制、改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制和溫差-物料平衡控制。 本文對(duì)這幾種控制方案進(jìn)行了比較分析，并給出了改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制的DCS組態(tài)框圖。

1 單一的熱量平衡控制

以催化重整中的重整油塔為例，單一的熱量平衡控制方案如圖1所示。

該種方案以從分餾塔頂餾出的物料溫度TIC串級(jí)控制回流量FIC1，同時(shí)用塔頂回流罐液位LIC1串級(jí)控制塔頂產(chǎn)品抽出量FIC2。依靠調(diào)整塔外的冷回流的流量來(lái)保持塔頂溫度TIC的恒定，塔頂溫度隨外回流流量的變化而改變，當(dāng)外界的氣候發(fā)生變化，塔頂空冷器的冷卻效果隨之變化，外回流介質(zhì)的溫度也跟著改變，這將導(dǎo)致塔內(nèi)熱平衡被打破，塔頂溫度TIC發(fā)生變化，從而促使調(diào)節(jié)閥FV1動(dòng)作，引起回流量FIC1的變化，以補(bǔ)償塔頂溫度TIC。在此動(dòng)態(tài)過(guò)程中，分餾塔本身以及溫度控制回路具有不可避免的滯后性，這將導(dǎo)致調(diào)節(jié)過(guò)程比較緩慢而且波動(dòng)不斷，在新的工作點(diǎn)即塔的另一個(gè)熱量平衡建立之前，這段時(shí)間內(nèi)會(huì)影響到塔頂抽出的產(chǎn)品質(zhì)量。由以上分析可知，該種方案只考慮了單一的塔頂?shù)臒崃科胶猓唇⑵鹚敎囟扰c塔頂產(chǎn)品抽出量的直接聯(lián)系，而實(shí)際上塔頂?shù)臏囟仁侵苯佑绊懰敭a(chǎn)品質(zhì)量的[3]。實(shí)踐也證明了該控制的過(guò)程不夠快捷，只能保證熱量的平衡，不能兼顧物料平衡。為此，國(guó)內(nèi)外的很多精餾分餾工藝改進(jìn)了控制方案，采用了熱量平衡-物料平衡控制。

圖1 單一的熱量平衡控制方案示意

2 熱量平衡-物料平衡控制

典型的熱量平衡-物料平衡控制方案如圖2所示。

分析可知，對(duì)于重整油塔而言，自動(dòng)控制的目的是保證塔頂抽出的C6和C7餾分油不夾帶其他餾分，塔底油中盡量少含C6和C7餾分。為此設(shè)計(jì)自控方案： 以塔頂餾出物溫度TIC串級(jí)控制塔頂產(chǎn)品抽出量FIC2，其實(shí)質(zhì)是建立塔頂溫度與抽出產(chǎn)品餾分的直接聯(lián)系，保證塔的物料平衡；同時(shí)用塔頂回流罐液位LIC1串級(jí)控制回流量FIC1，其實(shí)質(zhì)是以塔內(nèi)的汽化物上升和塔外的液體回流，創(chuàng)造一個(gè)循環(huán)的物料不斷分離過(guò)程，保證塔內(nèi)的熱量平衡。在該種控制方案下，當(dāng)塔的自動(dòng)控制穩(wěn)定于某個(gè)工作點(diǎn)時(shí)，若環(huán)境溫度變化，導(dǎo)致塔頂空冷器的出口溫度降低，外回流介質(zhì)的溫度隨之降低，塔內(nèi)的溫度降低，從而由于蒸發(fā)而進(jìn)入回流罐的分餾物減少，回流罐的液位LIC1降低，此時(shí)調(diào)節(jié)閥FV1動(dòng)作，減少外回流量FIC1，此時(shí)進(jìn)入塔內(nèi)的冷介質(zhì)減少，塔頂溫度重新跟蹤到給定值，塔的熱量重新平衡到穩(wěn)定狀態(tài)。在這一變化過(guò)程中，塔頂溫度TIC會(huì)有短時(shí)間的變化，產(chǎn)品抽出量FIC2也會(huì)相應(yīng)有變化，但因?yàn)榛亓髁縁IC1較抽出量FIC2大很多，溫度控制回路本身也會(huì)有很大滯后，也就是說(shuō)相對(duì)于液位回流串級(jí)控制，溫度抽出量的串級(jí)要滯后很多，因此熱量平衡控制回路的短時(shí)間波動(dòng)不會(huì)對(duì)物料平衡控制回路產(chǎn)生顯著的影響，即不會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成大的影響。實(shí)踐證明： 外回流量與產(chǎn)品抽出量的比值，即回流比越大，該種控制方案的效果越明顯[4]。在熱量平衡-物料平衡控制中，回流罐的液位LIC1是個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，要求它能靈敏感知到外界的干擾，從而迅速地調(diào)整回流量，使塔頂溫度在最短時(shí)間重新達(dá)到穩(wěn)定，從而減少對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，達(dá)到新的平衡。但這同時(shí)又意味著應(yīng)使回流罐的容積足夠大，才能保證回流量足夠大，這又降低了液位串級(jí)控制的靈敏性能。為解決該矛盾，提出了改進(jìn)型的熱量平衡-物料平衡控制。

圖2 熱量平衡-物料平衡控制方案示意

3 改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制

典型的改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制方案如圖3所示。

3.1 控制方案分析

由圖3可知，改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制相較于熱量平衡-物料平衡控制，同樣以塔頂餾出物溫度TIC串級(jí)控制塔頂產(chǎn)品抽出量FIC2，不同之處在于引入加法器，用塔頂回流罐液位LIC1串級(jí)控制回流量FI1和抽出量FIC2之和FIC4。在該種控制方案中，當(dāng)塔頂溫度TIC變化時(shí)，雖然回流罐液位LIC1不能同時(shí)感應(yīng)到該變化，但調(diào)節(jié)閥FV2會(huì)及時(shí)動(dòng)作，抽出量FIC2會(huì)同時(shí)產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致回流量和抽出量之和FIC4產(chǎn)生變化，為彌補(bǔ)該變化需向抽出量變化相反的方向調(diào)節(jié)回流量，從而調(diào)節(jié)閥FV1動(dòng)作，迅速使塔頂溫度回到設(shè)定值。因此，該種控制方案能克服回流罐液位LIC1的滯后，更快捷地反應(yīng)溫度變化，使分餾塔的控制系統(tǒng)更快達(dá)到熱量平衡和物料平衡，最大可能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

圖3 改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制方案示意

3.2 改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制的組態(tài)實(shí)現(xiàn)

改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制回路原理如圖4所示。

該控制方案引入了加法器，實(shí)際運(yùn)用中很多DCS廠家可在DCS上組態(tài)時(shí)以圖4為參照，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制方案。圖中字母R代表調(diào)節(jié)器為反作用，字母D代表調(diào)節(jié)器為正作用。分析可知，在確定產(chǎn)品抽出流量調(diào)節(jié)閥FV2的故障狀態(tài)為FC，即為氣開型時(shí)，串級(jí)回路中塔頂餾出物溫度TIC的調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用，抽出量FIC2調(diào)節(jié)器也應(yīng)為反作用，當(dāng)塔頂溫度高于工作點(diǎn)溫度時(shí)，此時(shí)閥門FV2閥位減小，產(chǎn)品抽出量減少。另一方面，引入加法器FU，以抽出量FIC2的測(cè)量值FIC2.PV與回流量FI1的測(cè)量值FI1.PV之和作為調(diào)節(jié)器FIC4的測(cè)量值，以回流罐液位LIC1作為調(diào)節(jié)器FIC4的給定值，組態(tài)時(shí)應(yīng)特別注意100%的液位應(yīng)跟抽出量FIC2與回流量FI1的滿刻度流量之和對(duì)應(yīng)。在確定塔頂回流流量調(diào)節(jié)閥FV1的故障狀態(tài)為FO，即氣關(guān)型時(shí)，串級(jí)回路中回流罐液位LIC1的調(diào)節(jié)器應(yīng)為正作用，流量FIC4的調(diào)節(jié)器應(yīng)為正作用，保證塔頂溫度升高，餾出物增多，導(dǎo)致回流罐液位升高時(shí)，增大塔頂回流流量調(diào)節(jié)閥FV1的閥門開度，增加外回流量，促使塔頂溫度重新回歸給定值，控制系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。

圖4 改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制原理示意

4 溫差-物料平衡控制

以催化重整中的苯塔為例，溫差-物料平衡控制方案如圖5所示。

該控制方案以苯塔塔盤之間的溫差TDIC串級(jí)控制塔頂產(chǎn)品抽出量FIC2，用塔頂回流罐液位LIC1串級(jí)控制回流量FIC1。相較于熱量平衡-物料平衡控制，改用溫差代替塔頂溫度參與控制，主要是由于苯塔的特殊性決定的。苯塔一般工作在常壓狀態(tài)下，用于將芳烴中的苯分餾出來(lái)，工藝通常要求苯塔的產(chǎn)品中苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99.9%，甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.05%，非芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.1%[5]。這么高純度的苯產(chǎn)品接近于純凈物，它的沸程就很窄，為1℃左右，而且苯塔內(nèi)的苯與其他混合組分之間相對(duì)揮發(fā)度很小[6]，苯塔運(yùn)行中若塔的操作壓力有微小的波動(dòng)，苯的沸點(diǎn)將會(huì)隨之改變，若采用塔頂溫度控制很容易將其他組分帶入苯產(chǎn)品中，影響苯的純度，導(dǎo)致不合格產(chǎn)品。溫差控制中的溫差檢測(cè)點(diǎn)位置由工藝計(jì)算后確定，一般定為靈敏塔盤和苯的沸點(diǎn)溫度處，靈敏塔盤定義為苯塔中該層塔盤的溫度當(dāng)苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生微小變化時(shí)改變最大[7]。溫差控制的實(shí)質(zhì)是保持靈敏塔盤與苯的沸點(diǎn)之間溫差穩(wěn)定，由于靈敏塔盤的特殊性，當(dāng)溫差變化幅度很大時(shí)，苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)才只有微小變化，盡管當(dāng)塔的壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，苯的沸點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，各層塔盤的溫度也會(huì)隨之改變，但兩者變化的方向是一致的，溫差的變化幅度就會(huì)很小或基本不變，這就克服了壓力波動(dòng)對(duì)苯塔產(chǎn)品質(zhì)量的干擾。實(shí)踐證明： 溫差控制結(jié)合物料平衡控制能有效保證苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，操作簡(jiǎn)單，控制過(guò)程平穩(wěn)。

圖5 溫差-物料平衡控制方案示意

5 結(jié)束語(yǔ)

催化重整裝置中對(duì)分餾塔的控制效果，直接影響到重整產(chǎn)品的質(zhì)量，單一的熱量平衡控制屬于經(jīng)典的組分控制方案，它一般適用于回流比小于1的分餾塔[8]；對(duì)于回流比大的分餾塔適用于熱量平衡-物料平衡控制，但該方案無(wú)法克服液位控制靈敏性不夠的缺點(diǎn)，改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制可有效解決這個(gè)問(wèn)題，并在實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果，尤其是在回流比大于1的場(chǎng)合，能更好地保證產(chǎn)品質(zhì)量。催化重整中大部分的分餾塔，如： 石腦油分餾塔、脫戊烷塔和重整油塔等，都適用于改進(jìn)型熱量平衡-物料平衡控制。溫差-物料平衡控制主要用于控制對(duì)產(chǎn)品純度要求高而且分離的產(chǎn)品沸程窄的分餾塔，如催化重整中的苯塔和甲苯塔等。

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Analysis on Catalytic Reforming Splitters Control

Wu Bin

(East China Design Branch, China Petroleum Engineering Construction Company, Beijing, 100101, China)

s: In view of fractionating column control requirements, product recovery rate should be as high as possible with products quality guaranteed. Taking reformate column and benzene column in catalytic reforming unit as case, single heat balance control, heat balance-material balance control, improved heat balance-material balance control and temperature difference-material balance control are discussed.Advantages and disadvantages are explained by comparison. What kind of control scheme is applicable to splitters in catalytic reforming unit are summarized. Widely used heat balance-material balance control in catalytic reforming is stressed. Control process is introduced combined with actual application. Improved heat balance-material balance control is designed with introducing summator in control scheme to overcome its shortcomings. Distributed control system (DCS) configuration block diagram is presented for implementing this improvement scheme. Key precautions in configuration are emphasized.

splitter; heat balance-material balance control; temperature difference-material balance control

吳斌(1983—)，男，現(xiàn)就職于中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，從事自動(dòng)控制設(shè)計(jì)工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)02-0027-04

稿件收到日期： 2016-10-31，修改稿收到日期： 2016-12-28。