原油蒸馏装置控制系统设计毕业设计 精品.docx

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原油蒸馏装置控制系统设计

摘要

原油蒸馏是炼油厂加工原油的第一道工序，即原油的一次加工，在炼油厂加工总流程中有重要作用，通过蒸馏的方法将原油分割成不同沸点的组分，以适应产品和下游工艺装置对原料的要求。

原油蒸馏装置的控制和操作的好坏，对炼油厂的产品质量、收率以及原油的有效利用都有很大影响。

本文通过分析原油蒸馏的工艺特点，采用单回路控制、串级控制等技术对原油蒸馏装置进行控制系统设计。

原油蒸馏的典型流程为三塔流程，即三段气化原油常减压工艺流程，分为原油初馏、常压蒸馏和减压蒸馏等三个部分。

炼油厂的加工能力一般都用原油常压蒸馏装置的加工能力来表示，也就是说常压蒸馏是石油炼制的关键部分。

所以本论文是对常压蒸馏部分的控制系统设计。

装置的工艺参数和产品的质量指标都有严格的要求，根据这些要求，设计出合理、有效的控制方案，提高产品收率，降低装置能耗，使装置能够安全、稳定运行。

关键字：

原油蒸馏；控制；工艺参数；加热炉；分馏塔

CrudeDistillationInstallmentControlSystemDesign

Abstract

Crudedistillationisprocessingcrudeoilthefirstworkingprocedureintherefinery.Thatisthefirstofcrudeoilprocessing,itplaysanimportantroleintotalrefineryprocessing,bythedistilledmethodofthecrudeoilwillbeseparatedintodifferentcomponentsofdifferentboilingpoint,toadaptproductsandlowerreachesoftheprocessistherequirementofrawmaterials.Crudedistillationinstallmentcontrolandoperationquality,totherefineryproductquality,receivingrateaswellasthecrudeoileffectiveusehastheverytremendousinfluence.

Thisarticleusesingle-loopcontrolandcascadecontroltocarryonthecontrolsystemtodesignthecrudedistillationinstallmentbyanalysiscrudedistillationcraftcharacteristic.Crudedistillation'stypicalflowisthreetowerflows.namelythreesectionsofgasifiedcrudeoilsoftenthereducedpressuretechnicalprocess,dividesintothecrudeoilforerunning,theatmosphericdistillationandthereducedpressuredistillationthreeparts.Therefineryprocessingcapacityofcrudeoilisgenerallyusedatmosphericdistillationunitofprocessingcapacitytoexpress.Thismeansthatatmosphericdistillationisakeypartofthecrudeoilrefining.Therefore,thepresentpaperdesignstheatmosphericdistillationpartcontrolsystem.

Theinstallmenttechnologicalparametersandtheproductsqualitativeindexhavethestrictrequest,accordingtotheserequests,designareasonableandeffectivecontrolprogram,reducestheinstallmentenergyconsumption,enhancesproductreceivingrate,canbesafeandstableoperation.

Keywords:

crudedistillation;control;technicalparameters;heatingfurnace;fractionatingtower

第1章引言

1.1原油蒸馏的地位和作用

石油是重要的能源之一，我国的工业生产和经济运行都离不开石油，但是又不能直接作为产品使用，必须经过加工炼制过程，炼制成多种在质量上符合使用要求的石油产品才能投入使用。

原油精馏装置时炼油企业的“龙头”，是炼油工业的第一道工序，为二次加工装置提供原料，是原油加工的基础，其能量的综合利用程度和拔出率高低体现在石化企业的效益上，因此，开展常压精馏装置的研究非常有意义。

原油常减压蒸馏[1]作为原油的第一次加工工艺，在原油加工总流程中占有重要作用在炼厂具有举足轻重的地位，其运行的好坏直接影响到后续的加工过程。

常减压装置将原油用蒸馏的方法分割成为不同沸点范围的组分，以适应产品和下游工艺装置对原料的要求。

通过常减压蒸馏要尽可能多地从石油中得到馏出油，减少渣油量，提高原油的总拔出率。

因此，精馏装置的设计对炼油企业的经济效益有着重要的意义。

1.2石油的物理性质和元素组成

石油（或原油）是从地下深处开采出来的黄色乃至黑色的流动和半流动的粘稠液体。

石油按其产地不同，性质也有不同程度的差异。

它是由烃类和非烃类组成的复杂混合物，其沸点范围很宽，从常温到500℃以上，相对分子质量范围从数十到数千。

石油主要是由炭和氢两种元素所组成，它占石油总量的90～99%，其中碳占83～87%，氢占11～14%，除此之外，还含有氧、硫、氮等元素。

在石油灰分中，还发现有氯、碘、磷、钾、钠、钙、铁等元素。

1.3石油的馏分组成

研究原油馏分组成的方法是原油的真沸点蒸馏。

原油的真沸点蒸馏是先把原油放在蒸馏釜内，然后用电炉加热，此时沸点最低的组分先蒸馏出来，当蒸到占原油的3%左右时，把它收集到一起，这样收集到的馏分，沸点范围很窄，称为窄馏分。

将窄馏分一个个收集起来，釜低温度就会逐步升高。

当釜底温度升到350℃时，停止蒸馏，因为在加热，釜底所剩下的油就会分解。

在这过程中就是常压下原油的馏分。

1.4我国石油蒸馏的发展情况及应用

原油的一次加工能力即原油蒸馏装置的处理能力，常视为一个国家炼油水平的标志。

我国现有原油加工能力已超过200Mt/a，居世界第四位。

1999年，在中国石化镇海化工股份公司（镇海炼化）建成8Mt/a的常减压蒸馏装置，2001年该装置改造后达到10Mt/a，并开车一次成功，成为我国第一套加工能力为10Mt/a的常减压蒸馏装置，这标志着我国常减压蒸馏装置大型化技术已经走向成熟。

2003年，我国共有单套能力在5Mt/a以上的常减压蒸馏装置十套，其中中国石化7套，中国石油2套，国外最大已达到12.5Mt/a。

未来几年，随着炼油装置的结构不断调整，大型常减压蒸馏装置还将得到进一步发展，因此我国已进入发展大型化蒸馏装置的重要时期。

实践证明，我国的大型常减压蒸馏装置已经达到了较高的运行水平，中国石化茂名分公司5Mt/a常减压蒸馏装置从进油到全部产品合格仅用时36.7h；镇海炼化8Mt/a开车一次成功，装置能耗为459.46MJ/t大连西太平洋石油化工有限公司8Mt/a常减压蒸馏装置达到三年一修，能耗为442.13MJ/t[2]。

1.5原油蒸馏的产品及使用要求

石油产品现约有800余种，一般不包括以石油为原料合成的石油化工产品，主要分为六大类：

燃料、润滑油、石油沥青、石油蜡、石油焦、溶剂和化工原料。

燃料包括汽油、柴油和喷气燃料油等发动机燃料以及灯用煤油、燃料油等我国的石油燃料约占石油产品的80%，其中，约60%为各种发动机燃料。

润滑剂品种最多，品种达到百种以上，但产量不高，仅占石油产品总量的2%左右，溶剂和化工原料包括生产乙烯的裂解原料、石油芳氢及各种溶剂油，约占石油产品总量的10%左右。

石油沥青、石油蜡和石油焦约占石油产品总量的5%～6%。

（1）汽油

汽油作为点燃时发动机燃料的石油轻质馏分，车用汽油按该油在汽缸中燃烧时抗爆震燃烧性能的优劣区分，标记为RON辛烷值90、93、97或更高,标号越大，性能越好。

汽油好坏有两个主要指标：

第一个是汽油的馏程。

10%流出温度表示汽油含轻组分的多少。

50%流出温度表示汽油的平均蒸发性能。

90%流出温度和干点是控制车用汽油中重质组分的指标。

第二个重要指标是辛烷值，就是人们一般所说的汽油的牌号值。

我国车用汽油的牌号有90号、93号、97号等。

（2）柴油

发动机的特点是热功率高，耗油省，所以在工业上大功率的运输工具和固定式动力机械都采用柴油机，例如拖拉机、重型车辆等。

柴油机是压燃式发动机的石油轻馏分，其使用要求适应具有：

良好的雾化性能、蒸发性能和燃烧性能；良好的燃料供给性能等。

轻柴油的牌号按凝点划分，分为10号轻柴油、5号轻柴油、0号轻柴油、-10号轻柴油、-20号轻柴油、-30号轻柴油和-50号轻柴油等7个牌号。

（3）润滑油

润滑油按其使用场合一般分为四类，即内燃机润滑油，包括汽油机油、柴油机油等；齿轮油；液压油及液力传动油；工业设备润滑油，包括机械油、汽轮机油、压缩机油、汽缸油以及电绝缘油等。

其中内燃机润滑油用量最大，约占润滑油总量的一半。

润滑油的质量要求黑多，有黏度、黏温性质、抗氧化安定性、清净分散性、低温流动性和抗磨性等指标。

（4）燃料油

燃料油是家用或工业燃烧器上所用的液体燃料，要求具有良好的雾化性能和底腐蚀性能主要性能指标有黏度、低温性能含硫量及安定性等。

第2章蒸馏系统设计

2.1蒸馏的基本概念和原理

2.1.1蒸馏的基本概念

蒸流操作广泛应用于炼油过程之中。

蒸馏是是液体混合物分离为一定纯度组分的重要方法。

常减压蒸馏是原油加工的第一道工序。

在此工序中，通过加热、汽化、分馏、冷凝和冷却等过程将原油分割成一定沸点范围的馏分。

如汽油、煤油、柴油、裂化原料或润滑油等原料。

因此，将会影响到全厂各加工工序。

2.1.2原油蒸馏的定义及特点

原油蒸馏使用的是常压蒸馏和减压蒸馏的方法，即用常减压装置对原油进行分馏出石油产品。

炼油工业的主要目的是从原油中提炼出各种燃料、润滑油、化工原料、和其他石油产品（例如，石油焦、沥青等）。

常压蒸馏的定义及特点：

常压蒸馏是指将脱盐脱水后的原油在常压下进行蒸馏。

所谓蒸馏，就是将原油或其他液体混合物加热使之气化，气化了的各种不同沸点的组分先后分别冷凝下来，从而分离成为各个不同沸点范围的馏分，达到使原油或其他液体混合物连续分馏成各种馏分的目的。

其主要特点是：

1.常压塔的原料和产品都是组成复杂的混合物；

2.常压塔是一个复杂塔结构；

3.常压塔下部设置汽提段，侧线产品设汽提塔；

减压蒸馏的定义及特点：

液体的沸点是指它的蒸气压等于外界压力时的温度，因此液体的沸点是随外界压力的变化而变化的，如果借助于真空泵降低系统内压力，就可以降低液体的沸点，这个过程就叫做减压蒸馏。

其主要特点是：

1.减压精馏塔分燃料型和润滑油型两种；

2.减压蒸馏塔的塔径大、板数少、压降低、真空度高；

3.油在减压塔内的停留时间[2]；

2.1.3原油蒸馏的原理

原油蒸馏的原理是根据组成石油的各种烃类等化合物沸点的不同，利用换热器、加热炉和分馏塔等设备，把原油加热后，在蒸馏塔中进行多次部分气化和部分冷凝，使气、液两相进行反复充分的物质交换和热交换，从而达到将原油分离成不同沸程的汽油、柴油、煤油、润滑油馏分或各种二次加工原料及渣油的加工过程。

原油蒸馏一般包括常压蒸馏和减压蒸馏两个部分。

所谓常压蒸馏，即为原油在常压（或稍高于常压）下进行蒸馏，所用的蒸馏设备叫做常压蒸馏塔（简称常压塔）。

减压蒸馏就是在压力低于100kPa的负压状态下进行的蒸馏过程。

常压蒸馏和减压蒸馏都属于精馏过程。

与一般的精馏蒸馏和原油常压精馏相比，减压精馏塔有如下特点：

1.原油减压蒸馏也采用多侧线的复合塔，设有2至3个中断循环回流，与常压蒸馏不同的是塔顶不出产品，也就没有冷回流，塔顶回流的是减一线油；

2.根据生产任务不同，减压精馏塔分燃料型与润滑油型两种；

3.减压精馏塔的塔板数少，压降小，真空度高，塔径大；

4.缩短渣油在减压塔内的停留时间，塔底减压渣又是重要的物料，如果在高温下停留时间过长，则其分解、缩合等反应会加剧进行，导致不凝气增加使塔的真空度下降，塔底部分结焦，影响塔的正常操作；

2.1.3蒸馏的方式

蒸馏有多种形式，可归纳为闪蒸（平衡气化或一次气化），简单蒸馏（渐次气化）和精馏三种[2]。

（1）闪蒸——平衡汽化

闪蒸过程是将液体混合物料加热至部分气话，经过减压阀，在一个容器（闪蒸罐、蒸发塔）的空间内，于一定温度压力下，使气液两相迅速分离，得到相应的气相和液相产物。

（2）简单蒸馏——渐次计划

液体混合物在蒸馏釜中被加热，在定压力下温度达到混合物的泡点温度时，液体即开始汽化，生产微量蒸汽，生成的蒸汽当即被引出并经冷凝冷却后收集起来，同时液体继续加热，继续生成蒸汽并被引出。

这种蒸馏方式称为简单蒸馏或微分蒸馏。

（3）精馏

精馏是分离混合物的有效手段，精馏有连续式和间歇式两种，施工石油加工中装置中采用连续式精馏而间歇式一般用于小型装置和实验室。

精馏过程主要是依靠多次汽化和多次冷凝的方法，实现对液体混合物的分离，精馏过程沿着精馏塔高度需建立两个梯度：

温度梯度和浓度梯度，即自塔底到塔顶温度逐级降低，气液相物流的轻组分浓度逐级增大。

由于这两个梯度的存在，在每个气液接触级中，由下而上的较高温度和较低轻组分的气相与由上而上的较低温度和较高轻成分的液相相互接触实现气液相的传热和传质，因此温度梯度和浓度梯度的建立以及气液相接触的设施是精馏过程中进行的必要条件[1]。

2.2原油蒸馏工艺流程简述

在原油蒸馏过程中，精馏塔是最重要的设备，除此之外，还有原油的预处理、加热炉、换热器和冷凝冷却器等设备以及机原、工艺管线自控仪表等，这些设备按一定的关系和次序组成一个有机的整体就形成常减压装置的工艺流程，工艺流程体现了原油的加工方案。

40℃左右的原油由罐区进入装置，由原油泵升压后经过换热器换热至130℃左右，首先进入电脱盐装置（原油预处理设施），在电场、破乳剂作用下进行脱盐脱水，要求脱盐后原油含盐量小于3mg/L，含水小于0.5%；脱盐后的原油在经过换热器换热至200～240℃进入初馏塔顶流出汽油组分或重整原料，经塔顶泵一部分送回初馏塔顶打回流控制塔顶温度令一部分作为产品送出装置。

初馏塔顶油由初馏塔底泵升压经换热后送至常压加热炉，加热到360～370℃进入常压蒸馏塔。

原油在常压塔进行分馏塔顶馏出汽油组分或重整原料，其中一部分打回流，侧线抽出根据生产要求可生产溶济油、分子筛脱蜡原料、煤油、喷气原料以及轻重柴油等侧线馏分，经汽提塔汽提后进入换热网络换热至60℃左右送出装置。

常压塔一般设置两个中段循环回流，一是可以使全塔的气液相负荷分布更加均匀，二是更合理的利用高温位的热源，提高能量利用效果，降低装置能耗。

常压塔底是高于350℃的组分，称为常压重油，常压重油用泵输送至减压加热炉加热后进入减压分馏塔，通过抽真空系统，使常压重油在减压条件下进行蒸馏，为防止常压重油中的胶质、沥青质在高温下发生分解、结焦反应、一般控制减压炉出口温度不大于420℃。

减压塔顶馏出的主要是裂解气、蒸汽、及少量的油气、减压蜡油由侧线抽出，根据原油性质和生产方案可作为催化裂化、加氢裂化的原料，也可以作为润滑油原料减压渣油因富含胶质、沥青质，一般作为燃料油、焦化原料，也可以进一步加工成高黏度润滑油、沥青或催化裂化原料[1]。

2.3蒸馏装置主要设备的构造和性能

2.3.1分馏塔

塔是整个常压装装置的核心。

原油在分馏塔通过传热、传质实现分馏作用，最终将原油分离成不同的产品。

三段汽化流程的常减压装置中的塔包括初馏塔或闪蒸塔、常压汽提塔和减压塔。

（1）初馏塔及闪蒸塔

原油经换热至220～240℃左右，进入初馏塔分馏或闪蒸塔，流入塔部分送至常压炉，气相上升至塔顶，在初馏塔顶分馏出重整原料或轻汽油（也称石脑油）。

初馏塔主要有以几点作用。

（2）常压塔

常压塔的作用是在接近常压状态下分离出原油中的部分组分，获得汽油，煤油和柴油等产品。

初馏塔底油经常压炉加热至370℃左右进入常压塔。

分馏出常顶汽油、常一线煤油、常二线轻柴油和常三线柴油或蜡油等，塔底油经泵进至减压炉。

（3）汽提塔

由于常压塔是复合塔，只有精馏段而无提馏段，因此每一个侧线产品一般还需设一个汽提塔作为提馏段，以保证产品质量。

汽提塔的目的是对侧线产品用蒸汽汽提或热虹吸的方法，以除去侧线产品中的低沸点组分，使产品的闪点和馏程符合质量要求。

最常用的汽提方法是采用温度比侧线抽出温度高的水蒸气进行直接汽提。

汽提塔顶的气体则返回到侧线抽出层的气相部位。

（4）减压塔

减压塔的作用是在减压状态下，对经常压分馏后的常底油继续进行分馏，获得重柴、蜡油或者基础油等产品。

常底油经减压炉加热到385℃左右进入减压塔，塔顶接抽真空系统，一般不直接出产品。

抽真空系统抽出的油气冷凝后并入常二线或常三线作为柴油出装置。

减一线出重柴油组分，部分可做装置机泵封油；减二、减三线出蜡油。

蜡油可作催化裂化和加氢裂化原料。

减压塔一般设有多个回流，即减一中回流、减二中回流和减三中回流及洗涤油回流等[2]。

2.3.2加热炉

加热炉是常减压蒸馏装置取得精馏操作所需热量的基本设备。

在加热炉的炉膛内，燃料燃烧产生高温火焰，通过辐射和对流的传热方式，把热量传递给炉管内的油品，从而把油品加热至一定温度。

以防止辐射传热的部分成为辐射室；以对流传热的部分称对流室。

另外，加热炉还附有加热饱和水蒸气以提供精馏过程中所需的过热水蒸气的任务。

加热炉一般有圆筒炉、立式炉、双斜顶炉、方箱炉、箱式直立炉、无焰炉等。

2.3.3换热器

换热器是炼油厂用以加热原料、回收热量、冷却产品的重要设备。

在一个大型炼油装置中往往需要许多台换热器才能完成换热和冷却的任务。

原油常减压蒸馏装置中，一般换热器约占建设总投资的20%，占工艺设备重量的40%左右。

按其作用可分为：

换热器、冷凝器、冷却器、加热器、蒸发器、和重沸器等。

2.3.4减压塔抽空装置

为了造成减压塔的真空，在塔顶馏出线上安装真空设备。

由于抽真空方式有间接冷凝和直接冷凝两种，所以需要的设备也不同。

在直接冷凝中，有大气冷凝器、混合冷凝器和蒸汽喷射抽空器；在间接冷凝中有管壳式冷凝器和蒸汽喷射抽空器。

2.3.5机泵

在化工生产中，为满足工艺条件的要求，常需要把液体从一处送往另一处，有时还需要提高液体的压力或将设备抽成真空，这就需要为流体提供能量的输送设备。

通常，我们把用来抽吸输送液体和使液体增加压力的机器统称为泵。

机泵的种类有很多，在常减压蒸馏装置中常用的是离心泵[5]。

2.4蒸馏工艺参数设计

2.4.1常压塔工艺参数操作指标

一．温度

（1）塔顶温度

常减压蒸馏温度的控制主要是塔顶温度、侧线抽出温度和进料温度。

塔顶温度主要是塔顶产品在其本身油气分压下的露点温度。

塔顶温度可以灵敏的反应塔内热平衡的变化，温度的变化还反应塔内气液相负荷的变化。

常压塔和初馏塔塔顶主要生产石脑油，石脑油主要根据下游装置对产品的要求，控制其馏程。

操作中通过调节塔顶温度控制其馏程范围，在操作压力条件下，提高顶温，干点降低，塔顶产品收率降低。

同样产品质量若不能满足要求，石脑油干点较高，馏程较重，可适当降低塔顶温度，石脑油干点稍低，馏程较轻可适当提高塔顶温度。

通过调节塔顶温度可实现对塔顶产品质量的控制，塔顶温度是控制塔顶产品质量的重要手段。

（2）侧线抽出温度

分馏塔侧线抽出温度出产品在该处油气压下的泡点温度。

在进料量和温度一定的情况下，侧线抽出温度的高低与侧线抽出量的大小有关，增大侧线抽出量，抽出温度升高，减小抽出量侧线温度降低。

侧线抽出量的变化直接影响着塔内气液相负荷分布，对塔内分馏效果和侧线馏分效果和侧线馏分影响较大。

（3）进料温度

分馏塔进料温度主要是根据操作压力、油品的性质和所需的汽化率所决定。

过汽化率低提高，就越省能；从生产操作度看，提高进料温度，从节能角度看就越省能；从生产操作角度看，提高进料温度，过汽化率提高，可以降低常底油。

350℃前馏分含量，提高轻油产率，常压塔闪蒸段压力与汽提蒸汽量保持不变时，汽化段提高4℃，常压塔汽化率可以增加1%。

常压过汽化率第上升一个百分点，则加工每吨原油能耗增加8.37MJ，并且过汽化率过高，过汽化油和与过汽化油相邻的侧线拔出率高，内回流量增大，分馏精度提，分馏精提高，侧线馏分的馏程变窄。

进料温度确定后一般保持相对恒定，不作为调节手段，常压加热炉出口温度，生产喷气燃料时，最高加热温度一般为360℃～365℃，而生产一般石油产品时可放宽至370℃。

（4）进料段和塔底温度（作为汽提控制）

进料段温度是汽化的气相温度。

进料段温度[3]和进料线温度有一个温降，它是由进料在进料段进一步汽化和与塔内过汽化油换热共同引起的。

塔底温度是常压重油经汽提后的温度，由于部分组分的汽化，塔底温度较进料温度略低，在一定程度上也反映了汽提段的汽提效果。

（5）汽提塔温度

侧线产品经汽提塔汽提后，由于部分组分汽化吸热，侧线汽提塔的温度一般较侧线抽出温度低，温度的变化反映了侧线产品抽出时的组成和汽提蒸汽量的大小，可以作为调节侧线产品质量的参数。

在油品的闪点和初馏点低时，其调节手段之一就是适当增加提蒸汽量。

二．压力

常压塔的压力一般是通过塔底回流罐气相通大气取得平衡。

假如回流罐顶的低压可燃气体引至加热炉作为燃料时，这时的塔顶压力由低压可燃气体从加热炉放出来取得压力平衡。

所以，常压塔的压力不设压力调节系统只设压力记录。

塔顶压力反应了整个塔内操作压力的大小。

塔顶压力低，可以使汽化段保持低较油气分压，有利于拔出率的提高，当气化段温度和汽提蒸汽量不变时，汽化段压力降低15.3kPa,可以使汽化率提高1%。

塔顶压力高，在保持相同的汽化率下，需要较高的进料温度，不利于拔出率的提高，也使燃料消耗增大，但由于整个塔的操作温度上升，侧线和回流抽出温度升高，有利于热量的回收。

塔顶压力除塔顶冷凝冷却系统的压降影响外，引起塔顶压力变化还有其它较多的因素，操作中炉出口温度升高时，原油性质变轻、进料量增大，都会使塔内气相负荷增大，引起塔顶压力上升，而原油含水量增加，常压塔汽提蒸汽量增加，或回流带水也会使塔顶压力升高。

当塔顶压力变化应及时查找分析原因，采取措施首先稳定塔压力，并对操作相应调节，保证产品质量。

塔顶压力是控制产品质量的重要参数，操作中要密切注意塔压的变化。

三．回流

回流是分馏塔操作的必要条件，分馏塔精馏段内上升的气相与液相在回流在塔板上充分接触，每块都进行着同样的传质和传热过程，进行着部分汽化和部分