第三章 工艺控制描述.doc

第 三 章工 艺 控 制 描 述目录1、 概述2、 合成新鲜气处理3、 合成回路3.1 合成回路工艺控制3.1.1 新鲜气量/循环量3.1.2 高压锅炉给水流量3.1.3 汽包温度控制/压力控制3.1.4 回路压力控制3.1.5 碳效率3.1.6 汽包液位控制3.1.7 高压分离器液位控制3.1.8 低压分离器液位控制3.1.9 低压分离器压力控制4、 精馏单元4.1 粗甲醇存储4.2 预塔部分4.3 低压塔部分4.4 中压塔部分4.5 甲醇产品存储4.6 甲醇油存储附录：管道仪表流程图1、 概述这一章包括了甲醇工厂各单元的工艺控制的描述。对汽轮机、压缩机和泵的工艺控制的详细描述请参照供应商提供的操作手册。以下文章的目的是对安装在工厂的主要控制回路进行描述。文章并不是很详尽，只是帮助去阅读PID图。合成回路的控制包括了由控制回路预处理和由DCS执行的连续控制以及停车状态下部分由紧急停车系统执行，部分由DCS执行的启-停控制。以下描述不包括公用工程。2、 合成新鲜气处理新鲜气来在于合成回路界区外。为使新鲜气进入合成回路，必须将其加压到压力稍高于加入点的压力，预热到脱硫罐R2001和甲醇反应器R2002的进口温度以除去H2S和COS。压缩后的新鲜气流量通过流量回路FI-20001 来测量。流量测量带有P、T和摩尔重量补偿（PI-20001，TI-20001和摩尔重量的计算基于对新鲜气组成的分析）。开车时，手动调节HIC-20002 操作手动控制阀HV-20002把新鲜气导入回路。新鲜气与少量高压锅炉给水混合，水由流量喷嘴FZ-20008喷入。水的流量由流量控制回路FIC-20008 控制。新鲜气流持续进入1# 中间换热器，在此被合成反应器R2002出口气体的一部分加热。新鲜气流的预热温度由两个蝶阀来控制；一个蝶阀手动控制，另一个由TIC-20031控制以确保反应器出口气体在1#和2# 中间换热器之间正确分配。新鲜气被预热后通过脱硫罐R2001，持续保持其进入回路的状态。3、 合成回路 甲醇合成在合成回路中发生。甲醇由合成气中的组分形成，但是此反应是一平衡反应，意思是只有一部分合成气发生转化。甲醇的合成几乎是在等温过程中进行的，转化温度由甲醇合成反应热所产生的中压蒸汽的压力来控制。产生的甲醇通过甲醇反应器R2002出口的合成气冷却来冷凝。冷却首先在1#和2# 中间换热器中进行， 从甲醇反应器出来的气体分为两股，其中一股进入1#中间换热器被进入的新鲜气冷却，另一股进入2#中间换热器被返回合成反应器的循环气冷却。进入1# 和2# 中间换热器的流体的分配由温度控制回路TIC-20031控制1#中间换热器进口管线的蝶阀来控制。装在2#中间换热器管线的阀门起初应是全开的。随后可以调节它使TCV20031 能在合理的范围内操作，以避免不必要的压降。壳程出口温度TIC-20031的设定点在工艺流程图上SOR时应是210，在EOR时增加到230。经过这两个换热器后，两股物流又混合在一起。反应气体最后的冷却发生在合成水冷器E2005中。最终冷却后，冷凝的甲醇与气体在高压分离器B2002中分离，气相的主要部分即循环气返回循环气压缩机K2002的吸入口，离心式循环压缩机K2002与新鲜气压缩机K2001是同轴一体的。循环气离开循环压缩机后流经2#中间换热器，在此被反应气体预热到合成反应器进口温度。加热后的气体与新鲜气混合然后进入合成反应器进行反应。冷凝的甲醇在高压分离器B2002中进行气液分离，随后经液位控制阀LV-20050 减压，减压后的甲醇进入低压分离器B2003，在此，高压下溶解在甲醇中的气体减压后从甲醇中分离释放出来。3.1 合成回路工艺控制甲醇合成回路中只有几个控制回路。他们是：l 新鲜气流量/循环气流量 （人工控制）l 合成回路压力控制l 汽包压力控制l 汽包液位控制l 高压分离器液位控制l 低压分离器液位控制l 低压分离器压力控制3.1.1新鲜气流量/循环气流量新鲜气压缩机K2001 的转速可用于控制上游煤气化工段的压力，因此进入合成工段的新鲜气的流量是由气化单元的能力所给定的。富余的合成气可以被送入压缩机上游的火炬。由于循环气压缩机K2002与新鲜气压缩机同轴，其转速不能单独控制，因此，回路的循环量只能通过调节循环机的吸入压力来调整，通过循环压缩机入口的导叶/节流阀HV-20501节流可调节入口压力。（在出口压力一定的情况下，关小进口节流阀，入口压力减小，则吸入量减小。）对给定的回路压力，提高循环气流量可提高 碳转化率（见3.1.5）。然而这样会增加压缩机运行的费用，同时会减少蒸汽产品的产量（增大流量意味着更多的热量用于原料气的加热和更多的热量转入合成水冷器）。3.1.2 高压锅炉给水流量加入到合成新鲜气的高压锅炉给水的流量由FIC-20008控制阀门FV-20008来控制。加入水以确保COS在下游脱硫罐R2001进行加氢转化。加水量的设定值依据进入脱硫罐的水的浓度约为0.5mol% 而定。3.1.3 汽包温度控制/压力控制甲醇合成是放热反应，意即反应可以产生热量。为使甲醇的浓度尽可能最大，反应在几乎等温的条件下进行。这通过换热来实现。催化剂床层放置于换热式反应器的管内，反应器壳侧则充满了经下降管自汽包来的沸水。反应释放的热量传递给沸水产生蒸汽，水/蒸汽经上升管离开反应器。反应的温度以此方式由汽包蒸汽出口的汽包压力控制器PIC-20020控制阀门FV-20020来控制。降低反应温度，催化剂的寿命会延长，然而较低的反应温度会降低反应速率。3.1.4 合成压力控制新鲜气中包括一些不参与反应的惰性组分，如不除去，这些组分将会在回路中累积导致回路的压力增大，降低甲醇产量。过量的惰性气体从回路中除去用以改变回路的压力。如果回路压力增加，控制器PIC-20052（作用于压力测量PT-20052）将会增大输出，由于它是与流量控制器FIC-20053双串级控制，则流量的设定值将会增大确保必要的惰性气从回路中排出。回路的压力可能会波动，因为它取决于新鲜气的压力。排出的驰放气送入界外。另一压力回路的存在用于控制压力。压力控制器PIC-20052 是用于紧急停车的。一旦跳车，主停车系统将会激活压力控制器PIC-20052，当它被激活后，它在大于15分钟的时间内会使回路压力缓慢下降至回路设计压力的50%。3.1.5 碳转化率对给定的新鲜气流量和组成，甲醇的产率会随着碳转化率的提高而提高。碳的转化率定义如下：碳转化率= 100 * Mmethanol / （Mco+ Mco2）Mmethanol = 粗甲醇产品中的甲醇，kmol/hr Mco = 新鲜气中的CO，kmol/hrMco2 = 新鲜气中的CO2，kmol/hr碳的转化率高则驰放气量小从而合成气中惰性气的浓度高，由于高的反应气分压有利于甲醇的平衡浓度，提高惰性气的含量则意味着提高操作压力和以及合成压缩机能耗。因此，确定操作压力时必须在高的碳转化率和低的压缩机功耗之间进行合理权衡。最优的碳转化率/回路压力将根据工厂的能力而变更，驰放气流量应与工厂的能力相均衡。在催化剂末期，考虑碳的转化率、蒸汽消耗，副产物等等，驰放气排放量应取最佳值。3.1.6 汽包液位控制汽包B2004 锅炉给水的液位由界外来的锅炉给水保持。液位通过一3元控制回路控制，此回路包括汽包蒸汽流量测量FI-20021，汽包液位测量LIC-20020和锅炉给水流量测量FIC-20020。此3-元控制用作给料和串级控制的结合。液位控制和安全报警以3选2系统为基础，该系统包括了3个单独的带密度补偿液位变送器。开车时，3-元控制可以断开，系统单独用作液位控制。汽包的液位控制受安全报警保护以防止低液位。安全报警与紧急停车系统相联系。3.1.7 高压分离器液位控制高压分离器B2002带有液位控制回路LIC-20050控制从合成回路排出的液体粗甲醇。回路包括了两个控制阀，以允许在工厂正常操作时可对阀进行清洁。液位控制及安全报警是基于包括3个独立的液位变送器的3取2系统。为避免高压分离器液体溢出或气体泄漏进低压分离器，低压分离器液位控制器带有高、低液位报警，与紧急停车系统相联。3.1.8 低压分离器液位控制低压分离器B2003带有液位控制回路LIC-20060，控制从合成回路中排出的粗甲醇，这也是基于3取2系统，液位控制阀带有手动旁路以允许在工厂正常操作时对控制阀进行清洁。3.1.9 低压分离器压力控制当减压以后，溶解的气体膨胀气从粗甲醇中释放出来与B2003中的液体分离。为保持甲醇在下游工艺中的必须的压力，减少甲醇蒸汽的损失，低压分离器必须保持一定的压力。压力控制回路PIC-20060通过控制膨胀气的排出量来保持分离器的压力。4、 精馏工段4.1 粗甲醇储存来自合成回路的粗甲醇累积于粗甲醇储槽T2301。由于压力减少，溶解在粗甲醇中的部分气体会闪蒸出来，闪蒸出的气体将通过位于粗甲醇储槽顶部的排放气洗涤塔F2301，自此气体中携带的大部分甲醇蒸汽被水洗涤吸收，然后放空。正常操作时，闪蒸气确保储槽有一定的超压，防止空气进入塔内。如合成回路停车，储槽的超压自动由氮气保持。如停车时间较长，将F2301与储槽隔断以减少氮气的消耗。在这种情况下，储槽通过安全阀PSV-20901来防止超压和出现真空。此外，通过另外的安全阀PSV-20900它可以防止由于火造成的超压。我们已经知道，除了接受粗甲醇，储槽还接受从下游甲醇产品冷却器来的不合格精甲醇，此外，储槽还可能用于精馏单元需要排空时。从储槽来的粗甲醇用粗甲醇泵P2301A/B泵送到精馏工段。在开车时的一段时间内，由于原料流量很低，泵需要带有最小流量设施。4.2 预处理单元粗甲醇被导入预塔F2101的第26块塔板，流量由FIC-21001控制，其设定值由操作者和精馏的生产负荷设定。改变负荷由下游设备的需要决定。系统压力的设定由PIC-21030（在塔顶管线上）控制不凝气的排放来实现，不凝气可作为转化炉的燃料或送往火炬。塔顶气相的主要部分在预塔冷凝器E2102中冷凝，为限制蒸汽的损失，塔顶物流在不凝气冷凝器E2109中进一步冷却，气体杂质及轻组分如酮等通过塔顶不凝气除去。塔顶冷凝液累积在塔顶回流槽B2101内，此外，来自低压塔顶的一小股回流液也进入B2101以控制低压塔F2102顶酮的浓度。回流槽B2101液位的控制通过FIC-21032调节回流量来实现，FIC-21032接受来自液位控制器LIC-21032的设定值。几乎所有累积在B2101内的液体都用于回流。只有一小股液体经FIC-21035手动控制抽出后在甲醇油冷却器E2106中冷却。塔底产品立即被从第一块塔板抽出，然后经过预塔再沸器E2101A/B，此再沸器是一釜式再沸器，其有效液位由堰来确保。堰后液体返回F2101塔釜内。塔釜需留有空间以备停车时容纳塔板上的所有液体。此外，塔釜还需留有空间以消除下游设备扰动的影响。再沸器由低压蒸汽加热，再沸器负荷由FIC-21002控制，其设定值为粗甲醇与蒸汽的流量比率。设定值由HIC-21017手动控制。建议用在FIC-21032测量的回流比作为控制再沸器热量输入的指南。E2101蒸汽的冷凝液直接进入1#蒸汽凝液罐B2104。B2104的液位由LIC-21016监控。在正常操作时再沸器凝液不会溢出，因此B2104的液位在再沸器的最低点以下。预塔F2101的液位由给料控制FIC-21001和LIC-21004 所组成的串级控制回路监控。从F2101抽出的粗甲醇用预塔甲醇泵P2102A/B转送至低压甲醇塔。在开车时，流量可能很低，因此，泵P2102A/B应设置有最小流量设施。4.3 低浓度单元原料从低压塔F2102的第6块塔板上进入。F2102塔顶的蒸汽在低压塔塔顶空冷器E2104中冷凝，冷凝液积聚在低压塔回流槽B2102中。回流槽通过一带压力阀PV-21094和阻火器的放空管线与大气相通。在正常操作时，此管线要注意扰动，它只有很小的负荷。开车期间惰性气体主要在PSV-21915的旁路排放，其次在PV-21094。B2102压力保持在稍高于大气压。这可以通过PIC-21094A/B控制两个压力阀PV-21094A/B来实现。如果压力在设定点以上，PV-21094A控制塔顶蒸汽通过阻火器释放。如果压力太低，则通过PV-21094B添加惰性气。负荷改变压力将临时改变直到建立新的平衡。如平衡被破坏，这样的流体不可能立即保持压力平衡，但是它允许压力在几分钟内返回到正常水平。PV-21094A和PV-21094B的尺寸将由阻火器的设计基础得到的最大流量来限定。如果由于空冷器风机停止而超压，精馏单元将自动通过PSAH-21094跳闸。除此之外，以上所讨论的任何压力的波动均不希望对操作有同样的影响。为防止空气进入，预设了氮气的补入，氮气的流量由控制器PIC-21094控制，设定值稍高于大气压。压力通过PST-21094A/B/C监控。一旦有干扰，所需氮气量能在短时间内升到较高水平。正常时无氮气，只是在有干扰时有氮气消耗。积聚在回流槽B2102的大部分冷凝液通过低压塔回流泵P2104A/B返回到F2102，但是其中一部分要分流到预塔回流槽B2101，使杂质和不凝气一起除去。在低压塔中，甲醇和乙醇彼此得到分离。乙醇将和塔底的水一起排出，而顶部的产品原则上是精甲醇。然而，少量比甲醇更易挥发的副产物也浓缩在塔的顶部，其中一部分副产物通过上述分流到预塔而除去，甲醇产品在比顶部塔板低几块塔板的地方抽出，因为此位置挥发物杂质的浓度更低。其余的甲醇与水和其它杂质一起作为塔底产品排出。产品的采出量由FIC-21154控制。控制器的设定值来自于FY-21154 3，这是一低位分程选择器。分程变送器的最低值来自FY-21154 1和FY-21154 2，在此，FY-21154 1计算回流比和设定在HIC-21154上的产品采出量，反之，一旦总流量降至预定界限以下，FY-21154 2会限制产品的采出。采出的甲醇产品在低压塔产品冷却器E2108中冷却，然后送往产品中间槽。低压塔底的产品含有大部分甲醇和水，从塔底部的塔板上抽出，进入E2103A/B的壳侧，在此，未蒸发的液体经溢流堰返回F2102塔釜。塔釜产品的抽出量由FIC-21070和LIC-21071以与F2101 同样的方式控制，见预塔部分。物料由中压塔给料泵P2105A/B送到中压塔F2103。塔釜的正常液位需保持最大液位以下，以提供万一跳闸时容纳塔板上所有液体的空间，一旦全面停车，塔板上停留的液体将进入塔釜。4.4 中压塔部分在本部分对来自F2102塔底的甲醇产品进行进一步精制。这股物料含有与进入低压塔的物料同样的副产物和杂质。唯一不同的是甲醇含量大大减少。这意味着最后的精制能以比别的方式更小的再沸器负荷来确保。甲醇被导入中压甲醇塔F2103的第28块塔板。F2103的塔顶蒸汽包含精甲醇，在低压塔再沸器 E2103A/B的管侧冷凝，甲醇蒸汽的冷凝热作为低压塔F2102再沸器的热源。冷凝液沿正常管线流入中压塔回流槽B2103，单独的排气管线起平衡的作用。聚积在回流槽B2103的大部分甲醇通过中压塔回流泵P2106A/B返回到F2103。但是其中一部分作为产品从回流泵的下游管线上采出。产品甲醇在中压塔产品冷却器E2107中冷却到40，然后被减压转送至甲醇产品中间槽。来自B2103的回流物流的控制如下：塔顶凝液的回流液部分由FIC-21150控制，其设定值来自LIC-21150。产品采出量由FIC-21153控制，FIC-21153得到一与FIC-21150流量信号成比例的设定值。比例值由HIC-21153手动调整。中压塔F2103的回流比以此方式来固定。如由于别的干扰再沸器的负荷降低，塔顶蒸汽流量及冷凝量将会减少，这有一低限，低于此限塔将不能正常操作，其结果是产品将变成不合格品。在这种情况下，当总流量降至预先设定的界限以下时，为降低产量，FY-21153 2将会自动削减产品采出量。甲醇产品总产率由FIC-21153 和FIC-21154 加和得到。开车期间，为置换系统的惰性气体，将从B2103进行放散，正常操作时不需要放散。低压塔再沸器热量由中压塔再沸器E2105A/B提供。中压塔再沸器E2105A/B的负荷决定了F2103塔内上升的蒸汽量，间接决定了F2102的蒸汽上升量。由于产品的采出量与塔顶蒸汽流量成比例，则精馏单元的能力几乎与中压塔再沸器E2105 A/B的热负荷成正比例。E2105A/B负荷由蒸汽节流来控制，结果在于反应很迅速。为确保精馏部分的稳定操作，再沸器的负荷能被迅速控制是非常重要的。在上下文中提到再沸器热负荷的变化将迅速表现在全塔温度指标的变化上。利用这种关系，通过温度控制器TIC-21134，TIC-21135和TIC-21136对流量控制器FIC-21144进行控制。在此串级控制回路中，温度控制器是主控制器。F2103设有几个温度测量点使能很好地观测温度指标。P&ID表明物料平衡控制的依据是位于第16、12和8块塔板上的TIC-21134，TIC-21135和TIC-21136。温度指标非常明显的塔板可作为控制的基准。另外F2103塔还设有几个取样点，用它来表明浓度指标与温度指标之间有着密切的相互关系。因此，高级醇的采出及损失于塔底产品中的甲醇量取决于塔的温度保持得怎么样。为达到稳定的操作状态，所有转移到产品中的甲醇的量必须与原料中的甲醇量完全相同。在中压塔中，甲醇浓缩于塔上部，相反水则主要集中在下部，但是在一些塔板上，两种组分都会存在。根据该点温度指标变化剧烈程度可以定位这些塔板的位置。根据观测可以控制系统的物料平衡。如果所选择的塔板温度上升，这个位置将会有更多的水，相应地甲醇量会减少。塔底产品主要是水及少量的甲醇。此外，可能还含有少量的有机组分和用来中和粗甲醇的过量的碱液。塔底甲醇的含量通过调整TIC-21134，TIC-21135 和TIC-21136 的设定值来调整。因此，这几点温度的波动相应地会引起塔底甲醇含量的波动。塔底甲醇含量反映了甲醇的损失量。顶部产品的质量受此点温度影响较小。高级醇从第8，12 或16块塔板的其中之一采出。采出的甲醇油流入甲醇油冷却器E2106，然后转送入甲醇油储槽T2302，流量由FIC-21171控制，其设定值决定于对甲醇油塔板上物流的有规律的分析。一旦