氨精馏塔控制工程设计

郭倩，刘长亮

（北京沃利帕森工程技术有限公司，天津 300201）

1 氨精馏原理及工艺流程

1.1 精馏塔原理

精馏过程，就是利用混合液中各组分具有不同的挥发度，即在同一温度下各组分蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到气相中及气相中的重组分转移到液相中，从而实现组分分离的目的。因此，精馏过程实质上是用来分离混合物的一种传质过程。在石油化学工业中，许多原料、中间产品或半成品往往是由若干组分所组成的混合物。这些都得应用精馏操作将混合物分离成各种规格的石油化工产品。

利用自动化技术，如果对精馏塔控制得好，不但能提高产品质量和回收率，还有利于环境保护和节约能源。因而，精馏塔操作的自动控制极为重要。一般说来精馏塔的控制，应满足如下三个方面的要求：

1.质量指标：塔顶或塔底产品之一应保证合乎规定的纯度，而另一产品的成分亦应维持在规定的范围内；或者塔顶和塔底产品都能保证一定的纯度；2.物料平衡：塔顶馏出液和塔底釜液的平均采出量之和应该等于平均进料量，而且这两个采出量的变动应该比较缓和，以利于上下工序的平稳操作，塔内及顶、底容器的蓄液量应介于规定的上、下限之间。此外，塔顶压力要相对稳定，以利于塔的平稳运行；3.约束条件：为了使精馏塔操作正常进行，必须满足一些约束条件，如塔内汽液两相流速控制在适当的范围内等。

1.2 精馏塔的自动控制

1.2.1 精馏塔的组成

塔顶配有冷凝器，部份冷凝液可直接作为回流液使用。氨水溶液自塔的上中层塔板之间进入，加料口之上为精馏段，下部为提馏段。塔底配置有再沸器，蒸汽为热源。被加热的洗水，利用热虹吸原理进行自然对流循环，解吸完全后的水（约含0.11%NH3），由泵送入吸收塔继续吸收工艺气中的氨。塔上部冷凝的氨，去液氨贮槽，残余的惰性气体通过控制阀放空。

1.2.2 控制参数确定

精馏塔被控变量的选择，主要是指实现质量控制和表征产品质量指标的选择，以及检测点部位的确定。

本塔的产品质量指标有二个：①塔顶馏出液的液氨的纯度≥99.5%；②塔底排放的污水(即塔釜液)须确保环保要求的排放指标。

一般来说，精馏温度高，馏份在塔上部水冷器未完全冷凝就部分地随尾气排出，从而减少成品氨的产量；精馏温度低，馏份未全部分离，使得成品氨中带水，影响合成氨的质量。一般控制在80～110℃之间，最好100℃。

精馏压力也是控制馏份的重要参数之一。在一定温度条件下，压力低则利于氨的解吸、冷凝。压力高易增加气态氨在气相中的溶解度，减少氨的冷凝，一般控制在2.6～2.78MPa 之间。

在精馏塔的的操作过程中，塔釜、回流量、回流罐、成品贮槽等的液位必须设置相应的检测和控制系统。这也是考虑了维持塔的稳定操作的必要条件，其中尤以塔釜液位和回流罐液位的控制显得更加重要。

1.2.3 塔内压力的控制

精馏塔的正常操作是建立在塔内压力恒定的基础上。但在精馏过程中，进料量，成分和温度变化，加热蒸气量的变化，回流液的量和温度变化，冷却水压力的波动等，都将导致塔压波动，结果会使整个塔的正常操作被破坏，最终将影响到产品质量。可见设计塔压自动调节是必不可少的。

氨精馏塔是常压塔，塔顶操作压力指标在2.6～2.78MPa 之间。故本设计选取了通过对塔顶压力的控制来达到控制整个塔内压力的控制方案。

在冷凝器和中间槽上都设置了放空管，而在放空总管上设置了一个控制放空量的调节阀，此阀受塔顶压力控制。也就是说根据塔顶压力超标的情况来控制塔顶蒸汽的放空量，以使塔顶压力稳定在规定的操作指标上，从而也就相对地稳定了整个塔内压力。

2 测量仪表及其选型

2.1 温度测量仪表

本设计的现场温度仪表选用天津欧迪有限公司的双金属温度计。所选仪表的精度等级为1.0 级，仪表表壳采用防腐材料，其耐温高达200℃，低为-40℃。完全符合设计工艺的要求，

温度传感器选用天津市中环温度仪表有限公司生产的ZHRT 系列热电阻。由于设备所需的温度不高，若采用热电偶，温度低反应不灵敏且价格较高不宜使用。铜热电阻，因生产的产品为液氨，铜电阻容易被腐蚀，也不宜使用，故铂热电阻温度传感器是本设计的最佳选择。

2.2 压力测量仪表

2.2.1 压力仪表的选择

在压力测量中，考虑的重点可较少的注意流体特性对测量的影响，而更多地考虑精确度、测量范围和材质的选择。

2.2.2 本设计就地压力表采用弹簧管式

其基本原理是依据弹性元件受压后产生的弹性反作用与被测压力相平衡，然后弹性测量弹性元件的变形量大小即可知被测压力的大小。

弹性元件是测量仪表的关键元件。为了保证仪表的精度、可靠性及良好的线性弹性，弹性元件必须工作在弹性限度范围内，而弹性元件的弹性后效和弹性滞后要小，温度系数也要低。

弹簧管的材料根据被测介质特性和被测压力高低决定。P＜20MPa 时采用磷青铜，P＞20MPa 时采用不锈钢和合金钢。测量氨气压力时必须采用耐腐蚀的不锈刚弹簧管；测乙炔压力时不得用铜质弹簧管；测气体压力时禁沾有油脂，否则将有爆炸的危险。

就地压力仪表是安装在管道上，用来指示现场压力，本设计采用北京布莱迪仪器仪表公司的YTPF-100FC 型全不锈钢防爆压力表，对氨精馏进行压力测量，氨是可燃性气体，在仪表选型时应根据被测介质的特性，选择合适的外壳材料及防护等级。

2.2.3 压力变送器的选择

本设计采用罗斯蒙特公司的电容式变送器。

电容式压力变送器是利用电容变换元件将被测变化转换成电容变化的传感器。电容传感器结构简单、灵敏度高、动态特性好、静电引力好、自热效应低，有较好的信噪比和系统稳定性。

选型时应注意：①信号输出时，应选用变送器；②易燃、易爆场合，应选用防爆型变送器，采用法兰连接。

3 液位测量仪表

液位是指容器中液体表面的高度。所谓容器，可以是工业过程中的罐、塔等容器设备，也可以是高楼水箱、引水隧洞等。

物位检测在现代化工业生产过程中具有重要地位，是控制生产过程、保证产品质量、确保生产安全的重要手段之一。

3.1 磁翻柱式液位计

磁翻柱式液位计显示部分由一系列磁翻柱组成。磁翻柱一般用塑料或陶瓷材料制成。每个磁翻柱的两半圆涂以不同的颜色，例如一半是白色，另一半是红色或蓝色。当浮子上升时浮子内永久磁铁耦合将磁翻柱推转1800，从白色变成红色。向下则同样的道理。显示方法直观，无须电源。可适用于腐蚀性、易燃性、强辐射性、扰动的、污浊的液体，其适用温度范围宽（典型产品可从-160℃～+450℃），耐压范围也较宽（典型产品可从真空到42MPa）。经过特殊处理还可用以界面测量，在此基础上，还可增加信号远传及报警功能，变成液位变送器和液位控制开关。

3.2 液位变送器的选择

现场液位计采用上海达达自控设备有限公司的UCM-FC 系列磁翻柱浮球液位计，其测量范围大精度高，受环境的影响因素较小还具有防暴功能，适合在生产氨的工艺现场使用。

由于液氨具有腐蚀性，且与空气混合易引起爆炸，所以在选择液位计时选用了具有抗腐蚀，防爆特性的仪表，采用双法兰能更安全地达到测量的目的。

4 流量测量仪表

4.1 漩涡流量计是通过检测流体中由特殊形状的阻挡元件形成的分列漩涡频率来测量流体速度的流量测量仪表，可用于测量液体、气体或蒸汽等流体流量。

一般说涡衔流量计输出信号（频率）不受流体物性和组分变化的影响，是指仪表系数仅与旋涡发生体形状和尺寸以及雷诺数有关。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量时，仪表输出信号需同时监视体积流量和流体密度，流体物性及组分对流量计量有直接影响。

4.2 选用时应注意：①涡衔流量计适用的流体种类较多，液体、气体、蒸汽、部分混相液体皆可应用，不适于低雷诺数（ReD≤2×104）流体，高粘度可能影响涡衔的形成。口径一般为DN25～300mm；②脉动流会对仪表产生严重的影响。引起流体脉动的动力机械作用下的脉动流频率如果在涡衔工作频带内会引起共振。另外引起管道振动亦是一大忌讳；③涡衔流量计的准确度对于液体一般为（±0.5%～±2%）R，气体为（±1%～±2%）R，重复性为±0.2%～±0.5%。仪表口径选择对仪表能否正常工作影响很大，它类似于截流装置计算；④涡衔流量计是对流场畸变、旋转流等较敏感的流量计，应有足够长度的直管或装设流动调节器（整流器）才能保证测量精度。

4.3 流量变送器的选择

旋涡流量计是通过检测流体中由特殊形状的阻挡元件形成的分列漩涡频率来测量流体速度的流量测量仪表，外部的结冰不会影响仪表的正常工作。防爆型仪表能保证氨工艺生产的安全。

5 结束语

精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即总收益最大，成本最小。而精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，精馏塔的控制要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面考虑。综合工艺条件来选择温度，压力，液位，流量等测量仪表。