《乙烯管式裂解炉温度控制系统设计—课程设计报告》.docx

过程控制课程设计乙烯管式裂解炉温度控制系统设计 引言乙烯是重要的化工原料，其生产水平成为衡量一个国家或地区石油化工发展的主要标志。2005年，我国乙烯总产量达7539 kt（不包括台湾省），居世界第3位。乙烯生产过程通常由于容量大、设计复杂、能耗高以及操作条件经常变化等因素，成为先进控制应用的主要对象之一。裂解炉是乙烯装置的核心设备，从裂解原料到乙烯、丙烯的产出，所有主要质变过程都是在裂解炉内完成的。裂解炉的稳定、长周期、高负荷生产是乙烯装置正常运行的保证。根据乙烯装置中裂解炉的工艺操作状况和要求，裂解炉智能控制技术的总体控制功能如图1所示。而裂解炉控制中最重要的便是温度控制，一般温度控制系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成。裂解炉温度控制系统具有时变和大滞后的特点，是比较复杂的非线性系统，因此，对其温度的控制是工业过程控制中一个重要而且困难的问题。石油烃通过管式裂解炉进行高温裂解反应以制取乙烯的过程。它是现代大型乙烯生产装置普遍采用的一种烃类裂解方法。管式炉裂解生产乙烯的工艺已有60多年的历史。管式裂解炉是其核心设备。为了满足烃类裂解反应的高温、短停留时间和低烃分压的要求，以及提高加热炉的热强度和热效率，炉子和裂解炉管的结构经历了不断的改进。新型的管式裂解炉的热强度可达 290～375MJ/（m2·h），热效率已可达92%～93%,停留时间可低于0.1s,管式炉出口温度可到900℃，从而提高了乙烯的产率。本文是针对管式裂解炉温度控制系统进行的分析和设计。控制系统采用串级控制以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统环境适应能力增强。通过使用该系统，可以使得裂解炉温度控制在适宜的温度范围内，从而生产出纯度更高，品质更好的乙烯。 一、 裂解工艺介绍1.1 管式裂解炉工艺介绍乙烯装置中裂解炉的燃料气来自燃料气混合罐，燃料气混合系统接受来自乙烯装置的高压和低压甲烷、裂解汽油加氢处理装置中H2S汽提塔的尾气、C4抽余油、丁二烯抽余油和天然气等，其中乙烯装置中产生的甲烷尾气作为燃料气的主要来源。从分离工段来的高压和低压甲烷进入燃料气混合罐，为了保证罐压力的稳定，当甲烷流量不足时，由出自C4蒸发罐的C4流量补足。因此当甲烷压力、流量波动时，燃料气组分也随之波动，从而引起燃料气热值产生频繁波动严重影响了裂解炉的平稳操作，必须根据裂解炉燃料气热值前馈控制烧嘴燃气量，以稳定炉管出口温度。随着石油化学工业规模的不断扩大，生产过程不断强化，生产设备不断革新，乙烯裂解炉也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。为确保安全，稳定生产，对温度的自动控制就显得尤为重要。燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，从而产生裂解所需的热量。管式裂解炉裂解过程可分为裂解和急冷-分馏两部分。①裂解裂解原料经预热后，与加热原料烃按一定比例（混合，经管式炉对流段加热到500～600℃后进入辐射室，在辐射炉管中加热至780～900℃，发生裂解。为防止高温裂解产物发生二次反应，由辐射段出来的裂解产物进入急冷锅炉，以迅速降低其温度并由换热产生高压原料烃，回收热量。②急冷-分馏，裂解产物经急冷锅炉冷却后温度降为350～600℃，需进一步冷却，并分离出各个产品馏分。来自急冷锅炉的高温裂解产物在急冷器与喷入的急冷油直接接触，使温度降至200～220℃左右，再进入精馏系统，并分别得到裂解焦油、裂解柴油、裂解汽油及裂解气等产物。裂解气则经压缩机加压后进入气体分离装置。关于裂解原料和产品分布，最初美国管式炉裂解原料是用天然气、油田伴生气和炼厂气中回收的轻质烃，其中主要含有乙烷、丙烷、丁烷及碳五馏分。50年代，西欧和日本的石油化工兴起，由于缺乏石油及天然气资源，因而采用石脑油作裂解原料。60年代后，又相继开发以轻柴油、重柴油和减压瓦斯油为原料的裂解技术，扩大了裂解原料来源。对于不同的原料，裂解工艺参数不同、在适宜条件下的裂解产品分布也各异（见表）。一般的规律是，随着原料相对密度的增加，乙烯产率下降；使用柴油原料时，则馏分越重，裂解技术越趋于复杂，裂解炉管中结焦加剧，从而缩短操作周期。温度愈高，停留时间愈短，烃分压愈低,则乙烯的产率愈高。1.2 裂解加热炉温度系统的控制裂解炉辐射室是温度控制的核心，为了便于分析，也是由于专业知识所限，本文把辐射室单独抽象为一个炉子，其温度加热源来自燃气燃烧，所以本文的主要任务是设计原料裂解过程中的加热炉的温度控制系统。裂解加热炉主要由炉体，燃烧装置，原料管道和控制、检测等装置组成。我们控制任务是使加热炉出口温度维持在允许范围内，保证裂解过程顺利完成。裂解温度是裂解炉最关键操作的参数，裂解炉出口温度控制品质，直接影响了裂解炉的乙烯收率和丙烯收率，所以必须把加热炉出口温度控制在规定范围内。产生裂解炉出口温度