丙烯精馏塔系统控制优化

丙烯精馏塔系统控制优化

邹生耀刘荣

（扬子石化巴斯夫有限责任公司江苏南京市210048）

摘要：通过对当前S&W双塔丙烯精馏控制系统存在的缺陷及当前操作难点分析，找出影响系统操作的根本原因，提出控制优化方案，并在实际生产中运用，节省装置能耗。

关键词：丙烯精馏控制优化

扬子石化巴斯夫有限责任公司裂解装置采用S&W工艺生产,原设计能力为600Kt/a 乙烯和300Kt/a 丙烯。2005年5月投产，2010年4月装置运行5年后停车大修，并对裂解装置进行扩能改造，于2010年6月开车成功。装置改造后生产能力扩大为740 Kt/a 乙烯和396Kt/a 丙烯。在本次改造中，急冷水塔波纹塔盘开孔率增加20-30%，丙烯精馏塔和丙烯提汽塔的MD塔盘改为增强型的EZMD塔盘。

改造投产后，急冷水塔釜温度只有74℃左右，比设计的84℃低了10℃左右，丙烯精馏塔系统因为塔釜再沸器急冷水温度偏低，在正常运行过程中，需要投用急冷水加热器，消耗大量低压蒸汽（25t/h），同时由于系统控制不稳，还常常发生塔釜丙烯损失加大，塔顶丙烯产品中丙烷浓度大幅波动现象。

1. 丙烯精馏系统流程及控制

1.1 目前丙烯精馏系统流程及控制说明

优化控制前丙烯精馏系统流程图

丙烯精馏系统由丙烯精馏塔（C540）和丙烯提汽塔（C530）两座塔系统组成。

来自碳三反应器出料罐V520的碳三在FC5201流量控制下进入丙烯精馏塔的第152块塔盘。丙烯产品在丙烯精馏塔的第8块塔盘侧线通过回流罐液位LC5331与采出流量

FC5201串级控制采出。塔顶气相分成二股，一股经过E535/536冷凝器冷凝，冷凝液返回至设置在高处的回流罐(V555)，每台冷凝器中设有一个2”的不凝气排放管线，不凝气排放至回流罐；另一股在塔顶压力PC5502控制下进入一根4”管线旁路冷凝器将气相丙烯引入回流罐，在塔压高时，将部分气相丙烯引入回流罐，通过回流罐顶部的不凝气冷凝器

E551冷凝，从而分流部分塔顶冷凝器的负荷。在回流罐V555顶部设置一冷凝器E551提纯不凝气，将部分丙烯冷凝后返回回流罐，不凝气在FC5331流量控制下返回裂解气压缩机段间。回流罐凝液在液位LC5331与流量FC5332串级控制下返回C540塔顶。

丙烯精馏塔塔釜设置一再沸器E540，利用E530后的次级QW来加热，节能能源。精馏塔塔釜产品通过P550泵在塔釜液位LC5351与流量FC5351串级控制下作为丙烯汽提塔C530的进料。汽提塔顶气相则返回精馏塔釜。汽提塔塔釜产品作为提纯后的丙烷产品在流量FC5301控制下返回裂解炉。在汽提塔釜设置有再沸器E530，利用一级QW来加热。汽提塔釜液位LC5173在与热值JC5173串级控制下通过增减QW的加热流量来实现。E530和E540的热值分配则通过TC5373的控制来进行。通过一选择开关选择精馏塔顶压力

PC5502或回流罐压力PC5331控制器来控制冷凝器旁路阀的开度。

1.2 鲁姆斯公司300kt/a装置丙烯精馏系统流程

鲁姆斯丙烯精馏系统流程简图

鲁姆斯丙烯精馏系统同样也有二座塔系统组成。在丙烯塔进料前有一甲烷提汽塔，脱除进料中的氢气、甲烷和碳二等轻组份。因此，丙烯精馏塔进料中不含有不凝气组份，丙烯精馏塔顶不设不凝气脱除塔盘，丙烯产品产出直接从回流罐产出。

塔釜压力通过调节塔顶冷凝器冷却水流量来控制合适的塔顶冷凝量，通过灵敏板丙烯组份浓度来控制再沸器加热量，通过回流罐液位来控制丙烯产出量，通过塔釜液位来控制丙烷产出量。

1.3 两种流程控制的主要差异

这二种流程都有不凝气脱除系统，鲁姆斯流程是在丙烯精馏塔进料前通过甲烷提汽塔来脱除；S&W工艺则是在精馏塔顶增加8块塔盘来脱除不凝气。

S&W工艺采用双塔丙烯精制，更适合大型乙烯装置，鲁姆斯单塔丙精精制则适合小型乙烯装置。

鲁姆斯公司丙烷精馏塔的控制更容易实现。它的塔釜加热量是由灵敏板的丙烯含量组份来控制的，当进料负荷改变，或进料组成改变、或回流量改变时，导致灵敏板上丙烯浓

度改变，可自动调节塔釜再沸器热值，从而确保塔釜产品中丙烯浓度合格。当塔釜加热量增加或进料增加时，塔压会上升。当塔压上升时，通过增加塔顶冷凝器的冷却水开度来控制塔压的稳定，当塔压进一步上升时，可通过回流罐放火炬来降低回流罐压力，增大冷凝器的有效冷凝面积来增加冷凝量控制塔压。在塔压控制稳定情况下，塔顶冷凝量与塔釜加热量及进料是匹配的，当回流罐液位上升时，说明塔顶丙烯产出量需要增加，在产出增加时，塔顶回流也同样需要增加。当塔釜液位上升时，如果灵敏板丙烯组成是正常的，则说明丙烷产量增加，需增加塔釜丙烷产出量。

而对于S&W双塔丙烯精馏控制系统，因为S&W公司认为，冷却水流量的控制会造成换热器的结垢，因此，冷凝量是不控制的。假设在回流罐不凝气排放量是与塔顶不凝气含量是匹配的，且塔釜丙烷产出量与进料中的丙烷含量是匹配的情况下，现有的控制方案仍然是可行的。回流罐不凝气排放量合适，则回流罐顶冷凝器E551冷凝量是合适的，回流罐的压力则是稳定的；如果塔釜丙烷产出量与进料中的丙烷含量是匹配的，则塔釜液位的变化即可确定塔盘中下降液相量的变化，如果液位变化，则塔釜加热量则应该随之变化。

在假定塔顶不凝气排放量与塔釜丙烷产出是合适的，且精馏塔处于稳定运行情况下，如果进料量增加，或回流增加、或进料组份变化，导致塔釜液位上升，则塔釜液位控制器与热值的串级控制，可以自动增加再沸器的热值。当进料增加或塔釜再沸器热值提高，引起塔顶压力上升，如果回流罐压力是稳定的，则在塔顶压力与回流罐压力差值的上升趋势，推动塔顶冷凝器E535/536内液位下降，冷凝器的有效冷凝面积增加，塔顶气相丙烯冷凝量增加，从而使塔顶压力下降，使塔顶压力趋于稳定。因为冷凝量的持续增加，导致回流罐的液位上升，回流罐的液位与塔顶侧线丙烯产出及回流串级控制，引起塔顶丙烯产出和塔顶回流量的增加，从而使系统趋于稳定。

上述控制理论是建立在回流罐不凝气排放量与塔顶不凝气含量是匹配的且塔釜丙烷产出与进料中的丙烷含量是匹配的基础上的，实际运行过程中是无法实现的。

2. 丙烯精馏塔系统运行状况分析

2.1 当前典型的运行状况

在正常运行过程中，塔顶丙烯中的丙烷大幅波动、塔釜丙烷中的丙烯含量偏高、回流罐的液位大幅波动、塔压波动幅度较大。

附图是回流罐液位与丙烯产出和回流量串级前的典型的运行曲线。

在上图中2011年7月24日5：00开始的一段典型的运行数据。丙烯精馏塔的进料量基本维持稳定在47-48t/h之间波动，塔釜再沸器热值基本维持在49-52GCal/h之间波动，回流量在710-730t/h之间波动，塔釜丙烷中丙烯浓度维持在17-19%之间，塔釜液位在59-64%之间波动。塔压在18.6-19.2kg/cm2之间波动,丙烯产出也基本稳定在44-48t/h，回流罐不凝气排放量在400-800kg/h之间波动，回流罐液位在45%-85%之间波动，塔顶丙烯中的丙烷含量在2200-3600PPM之间波动。

在上图中的5：00-8：00期间，丙烯精馏塔的进料、塔顶塔釜产出、回流、再沸器热负荷、不凝气排放等参数基本稳定，而塔釜液位缓慢上升，塔顶回流罐液位缓慢下降，塔顶丙烯中的丙烷含量缓慢下降、塔压缓缓上升。

至8：00-8：30左右，随着不凝气排放量缓缓从630kg/h提高至700kg/h，约20分钟后，首先是回流罐液位由于下降趋势改为上升趋势，随后是塔顶丙烯中丙烷含量从下降趋势改为上升趋势，塔顶压力也由上升趋改为下降趋势。

至9:50左右,随着不凝气排放量从700kg/h下降至400kg/h,约20分钟后,塔压开始缓缓上升,回流罐液位由大幅上升转为大幅下降,塔顶丙烯中的丙烷在30分钟后也开始由大幅上升转为大幅下降，塔釜液位也开始缓缓上升。

为了稳定塔压，装置将塔顶压力与不凝气排放流量投串级控制，回流罐液位与塔顶回流和丙烯产出投串级控制，下图是2011年8月11日6：00开始的一段运行曲线。

投用串级后，在进料、塔釜加热量稳定情况下，塔压保持相对稳定，波动减少，回流罐液位、塔顶丙烯中丙烷含量波动幅度减少，不凝气排放量随塔压波动而波动，幅度在430-520kg/h之间波动。

但在9：30左右，装置负荷变化，丙烯精馏塔的进料从46t/h提高至49t/h后，其它控制仍然维持，塔釜加热量和侧线采出维持不变。在20-30分钟后，由于丙烯进料增加，导致丙烯精馏塔压力有轻微的上升，塔顶冷凝量增加，再引起回流罐液位上升趋势，回流量增加（约从745t/h上升至755t/h）。塔顶冷凝量的增加幅度与塔进料不匹配，塔顶冷凝量的增加量远大于进料量，导致系统失稳，系统出现大幅波动，不凝气排放量、回流罐液位、回流量、塔顶丙烷中的丙烯含量都出现大幅波动。

2.2 影响塔顶丙烯中丙烷含量大幅波动的因素分析

对一个确定的精馏塔来讲，影响塔顶组份的主要因素理论上只有3个，进料（量或进料组份）、回流比、塔压。对丙烯精馏系统来说，如果能够维持进料量、进料组份、回流比、塔压稳定，则塔顶丙烯中的丙烷含量应该维持在一个确定的值上。而在实际运行过程中，依目前的丙烯精馏塔系统的控制方案是无法做到的。

2.2.1 进料量和进料组成对丙烯精馏塔的影响

进料量的改变，改变塔顶和塔釜产品产量，如果在增加进料同时，同步提高塔釜再沸器的热值和塔顶冷凝量，确保产出及回流比稳定，塔顶和塔釜组份应该维持在一个确定的值，不会引起系统大幅波动。

对于进料组成的改变，只会引起塔顶和塔釜产品比例改变，如果进料量和进料组成改变在一个设计允许范围内，不会引起系统大幅波动。

在正常操作情况下,丙烯精馏塔的进料量和进料组份变化是不大的,因此进料不是丙烯精馏塔大幅波动的主要原因。

2.2.2 塔压对丙烯精馏塔的影响

丙烯精馏塔设计塔压18.8kg/cm2。理论上塔压降低，丙烯和丙烷的相对挥发度增大，有利于丙烯精馏。但在实际操作过程中，在进料和侧线采出及再沸器加热量不变情况下，如果塔压降低，意味着塔顶冷凝量增加，塔顶总产出增加，回流比降低，影响塔顶产品组份。

S&W丙烯精馏塔系统设计的塔压是不加控制的。因此塔压的大幅波动是无法避免的。

2.2.3 回流比对丙烯精馏塔的影响

丙烯精馏塔设计的操作回流比是18.8。回流比保持稳定，塔顶和塔釜组份理论上应该是确定值。但在目前的控制模式下，回流比是无法保持的，主要原因是塔顶冷凝器的冷凝量无法得到有效控制。在回流罐液位与回流量串级情况下，冷凝量多，回流罐液位高，增加回流，冷凝量低，回流罐液位低，减少回流。

如果回流罐液位与回流量不进行串级控制，而只是回流量与侧线采出进行比例控制，则如果冷凝量增加，冷凝的丙烯临时存贮在回流罐中，它也应该看作塔顶产品产出，对回流比的影响更大。

附图是一段液位与回流量串级控制下的实际运行曲线，为了防止泵超负荷运行，回流量设置了上下限。橙色线是回流罐液位，从11：00的56%上涨至11：30的80%，绿色线是侧线产出平均量43t/h，粉色线是回流量平均740t/h。蓝色线是丙烷浓度，在延后20分钟后从2600PPM上升至3800PPM。

经过计算，回流罐液位从56%上升至80%，回流罐内存量增加20.9t。丙烯精馏塔的实际产出量达84.7t/h。丙烯精馏塔在半小时内的实际操作回流比降低至8.7。实际上从上图可以看出，随着回流罐液位上升，塔顶丙烷含量上升，关键因素是真实的回流比的波动造成的。

2.2.4 影响塔顶组份的关键因素

通过上述分析，可以看出，无论是引起塔压的波动还是回流罐液位或回流比波动，都有一个重要的影响因素就是塔顶冷凝器的冷凝量的控制。鲁姆斯丙烯精馏塔有一个塔压与冷却水控制，通过调节冷却水的流量来确保合适的冷凝量。而S&W丙烯精馏塔系统没有设置冷凝量的控制系统，这是造成系统波动的关键。

在丙烯精馏塔生产稳定情况下，进料、产出、塔釜加热量和回流、塔顶冷凝器液位、塔压及回流罐不凝气含量及排放量趋于稳定状态。此时任何一个参数变化，都会引起塔顶冷凝器冷凝量的变化，引起系统波动。例如，进料中的不凝气含量减少，而不凝气排放量仍维持在原有量，则使回流罐中不凝气浓度减少，使回流罐顶不凝气排放冷凝器E551的有

效冷凝面积增加，丙烯冷凝量增加，从而使回流罐的压力有一个下降趋势，使精馏塔顶与回流罐顶压差增加，塔顶冷凝器冷凝后的丙烯在压差的推动下从冷凝器向回流罐流动，使塔顶冷凝器的液位下降，回流罐液位上升。塔顶冷凝器液位下降，使塔顶丙烯冷凝量增加，回流罐液位进一步上升。由于塔顶冷凝量增加，会使塔压下降，当塔压下降至一定程序，压差推动力下降，从而使冷凝量减少，回流罐液位又会下降。最终使丙烯精馏塔进出失稳，系统大幅波动，塔顶产品中丙烷含量大幅波动。

3. 丙烯精馏塔系统控制优化

在所有的优化方案中，必须确保塔顶冷凝量得到有效控制，只有保持塔顶冷凝量在一个合适的可控量下，塔压、回流罐液位、塔顶回流量、塔顶组份才可以保持稳定。

3.1 塔顶冷凝器冷凝量的控制（回流罐液位与不凝气排放流量串级控制）

目前的控制方案无法确保塔顶冷凝量得到有效控制。

塔顶冷凝量变化，首先表现在回流罐液位变化上，在进料、塔釜再沸器加热量、回流和产出稳定情况下，通过增加不凝气排放量可以降低不凝气排放冷凝器E551内的不凝气浓度，降低不凝器中丙烯冷凝量来控制回流罐压力，继而提高塔压与回流罐压差，压差增加又提高塔顶冷凝器中液相丙烯的推动力，从而增加塔顶丙烯的冷凝量。塔顶丙烯冷凝量的改变又引起了回流罐的液位提高。

因此，我们可以认为，回流罐的液位变化是由于塔顶冷凝器的冷凝量改变的结果，在塔顶回流量稳定情况下，如果回流罐液位稳定，则说明塔顶冷凝量得到有效控制。而塔顶冷凝量是通过不凝气排放量来控制的，因此可以将回流罐液位与不凝气排放量进行串级控制。只要回流罐液位稳定，则说明冷凝量是合适的，不凝气排放也是合适的。

回流罐液位-不凝气流量串级控制逻辑图

3.2 塔顶丙烯产出和回流控制

塔顶侧线丙烯产出量理论与进料量和组份有关，而在正常生产过程中，进料中丙烯浓度含量基本上是稳定的，如上图。其中丙烯平均浓度为93.05%，丙烷以上组份平均浓度为6.71%，剩余部分为不凝气，平均浓度0.24%。

因此，考虑到塔顶丙烯中的丙烯含量和不凝气中丙烯损失及塔釜丙烷中丙烯损失,侧线丙烯产出量可以利用进料量进行前馈控制，塔压与丙烯产出偏差控制。塔顶回流与产出根据回流比比例控制，同时考虑到进料组份的不同对回流比有一定差异及紧急情况下的回流量调整需要，增设一回流偏差控制器FK5332，控制范围在-10～+50t/h。

塔压-产出-回流控制逻辑图

3.3 塔釜液位及再沸器热值控制

在丙烯精馏塔运行平稳情况下，塔釜再沸器总热值应该与塔顶冷凝量相匹配。由于进料量与侧线采出及塔釜采出及不凝气排放总量接近，因此，塔釜再沸器热值总需求可以近似看作将回流汽化需要的热值。

为了充分利用丙烯汽提塔的塔板数，丙烯汽提塔再沸器的热负荷应该尽可能高，以节省能源，只要精馏塔釜送出泵的负荷在允许范围内。

丙烯气相热容取0.5Kcal/kg.℃,丙烯的汽化热取69 Kcal/kg。

汽化量：回流量（FT5332）

气相加热温差：塔顶气相温度-回流温度（TI5353-TI5331）

则塔釜理论热值需求量近似于：

FT5332*69+0.5*FT5332*（TI5353-TI5331）

考虑到流量表及温度等显示偏差,及塔侧壁损失，增加一根据塔釜液位确定的热值偏差控制块LC5301。因为在总体采出平稳情况下，如热值偏低，则塔釜液位上升，热值过高，则塔釜液位下降。

FV5371

3.4 优化控制后丙烯精馏系统流程图

优化后控制说明:

（1）塔顶不凝气的排放量与回流罐液位串级控制，液位高则减少不凝气排放，提高冷凝器内液位，减少塔顶丙烯冷凝量。

（2）塔顶侧线采出与进料比例控制，同时根据塔压的高低，适当加减侧线丙烯产出量。进料增加，侧线采出增加，塔压高，则系统聚积丙烯增加，提高采出。

（3）回流与侧线产出比例控制，侧线采出增加，回流同步增加；同时考虑到塔顶丙烷浓度控制的要求，可通过FK5332流量偏差控制，加减回流量。

（4）塔釜热值控制根据塔顶回流量和回流温度决定，回流增加，则热值需求增加；回流罐温度下降，则热值需求增加。假设塔釜丙烷采出合适，则所有热值偏差最终体现在塔釜液位上。如液位上升，则意味着热值偏低，需增加热值，反之也然。

（5）塔釜丙烷采出可根据塔釜在线表丙烯浓度决定，如丙烯浓度低于2%，则适当增加丙烷产出，如高于3%，则适当减少丙烷产出。

（6）为稳定丙烯精馏塔和丙烯汽提塔塔釜再沸器负荷分配比例，尽可能利用丙烯提汽塔的塔板数，防止丙烯精馏塔塔顶丙烷浓度超标，增加再沸器负荷分配器TK5373来控制。

4. 优化控制后投用情况

双塔丙烯精馏优化控制投用后，系统采用低压操作，操作压力从原设计的18.8kg/cm2降低至17 kg/cm2,由于操作压力降低,双塔的塔釜再沸器温度下降,在急冷水塔釜温度仍然维持在74℃情况下，急冷水温度已经能够完全满足丙烯精馏塔的热值需求，急冷水加热器已经停止操作，节省低压蒸汽15～25t/h。

在优化控制投用后，塔顶丙烯中的丙烷及塔釜丙烷中的丙烯含量已经完全达到设计要求，塔顶组份波动幅度降低，回流罐液位控制稳定。下图是优化控制投用后连续24小时运行曲线。

5. 结语

丙烯精馏塔波动的主要原因是由于塔顶冷凝器的冷凝量无法得到有效控制。塔顶冷凝量增加，意味丙烯精馏塔采出增加，使塔系统进出失去平衡，最终引起塔压、塔顶组份波动。在塔顶回流量不变情况下，冷凝量改变，首先引起着回流罐液位改变，因此，控制好回流罐液位，也就控制了塔顶冷凝量，也就使塔系统操作稳定。不凝气的排放量可以控制回流罐的压力，间接控制塔顶冷凝器的冷凝面积，从而有效控制塔顶冷凝量。因此将回流罐液位与不凝气排放进行串级控制，可使塔系统操作平稳。

为了更优化丙烯精馏塔系统操作，在塔顶冷凝量得到有效控制后，塔顶采出可与进料比例控制，塔压作为采出的的偏差控制；回流量可与采出比例控制，确保回流比稳定；塔釜再沸器的加热量由塔顶冷凝器冷凝量决定，塔釜液位作为热值的偏差控制。

通过以上控制优化，可以最大程序减少丙烯精馏塔系统波动，采用低压操作，降低急

冷水的温度要求，停止急冷水加热器的使用，节省能源。