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乙烯装置开车时冷箱高温原因分析及处理

来源:个人技术集锦
第4O卷第10期 201 1年10月 当 代 化 工 Vo1.40,No.i0 October,201 1 Contemporary Chemical Industry 乙烯装置开车时冷箱高温原因分析及处理 徐摘 鹏,王瑶,谢春丽 (中国石油抚顺石化公司,辽宁抚顺113004) 要:抚顺乙烯装置检修后开车过程中针对冷箱高温的情况,对丙烯制冷系统、乙烯制冷系统开车时各 参数进行分析,结合丙烯制冷系统和乙烯制冷系统及甲烷一氢系统的复迭制冷关系,判断开车过程中冷箱温度 过高的原因,通过采取相应措施使装置尽快恢复开车并开车成功。 关键词:制冷系统;冷箱;复迭制冷;乙烯装置开车 文献标识码: A 文章编号: 1671—0460(201 1)10—1013—05 中图分类号:TQ 221.21 1 Cause Analysis and Solutions of the Cold Box High Temperature During the Start-up of Ethylene Plant XUPeng,WANG Yao,XIE Chun—li (Fushun Petrochemical Company,Liaoning Fushun 113004,China) Abstract:Aiming at the cold box high temperature situation during the start—up of Fushun ethylene plant after overhaul, running parameters ofthe propylene refrigeration system and the ethylene refrigeration system during the start—up were analyzed.Combined with the cascade refrigeration relationship of propylene refrigeration system,ethylene refrigeration system and the methane-hydrogen system,reasons to result in cold box high temperature during the start—up were found,and corresponding measures were put forward. Key words:Refrigeration system;Cold box;Cascade refrigeration;Start—up of ethylene plant 2011年3月25日至4月12日,抚顺石化乙烯 化工厂乙烯装置(以下简称抚顺乙烯)进行了装置大 其中主要冷量用户为裂解气的预冷、乙烯制冷剂冷 凝、乙烯精馏塔、脱乙烷塔、脱丙烷塔塔顶冷凝等, 各部分冷量用量随分离流程的不同而不同。裂解气 分离系统中丙烯制冷系统的最大冷量用户是乙烯精 馏塔塔顶冷凝器,其量约占丙烯制冷系统总功耗的 检修。4月12日装置开车,冷箱要求温度为一150 , 而开车过程中冷箱温度始终在一99 106℃,此温度 为不合格温度,导致甲烷化反应器不能进料,造成后 序系统无法开车。在此期间乙烯精馏塔由于乙烯罐存 60%~70%。其次为乙烯制冷剂的冷凝和冷却所消耗 较少未接乙烯;丙烯制冷压缩机三段吸人罐压力超高 的冷量,约占丙烯制冷系统总功耗的17%~20%。抚 放火炬,一、二段吸入温度较高,其它参数无异常; 乙烯制冷压缩机各段吸人罐压力均较高,三段吸入罐 超压放火炬,各段吸人温度较高,压缩机出口压力超 高。为了节省乙烯冷剂,尽快开车成功,必须通过理 论分析,尽快制定可行』生处理方案。 顺丙烯制冷系统流程中,24换热器为乙烯精馏塔塔 釜再沸器,25用户为乙烯精馏塔塔顶冷凝器(实际 是由两个一40℃用户串联作为塔顶冷凝器,是丙烯 制冷系统的最大冷量用户),他们与乙烯精馏塔组成 一个闭式的“热泵”系统。压缩机三段没有补气, 1工艺流程介绍 抚顺乙烯装置丙烯、乙烯制冷系统是封闭式循 正是由于采用了闭式热泵工艺(见图1),丙烯蒸汽 大部分已被冷凝,余下的气体直接减压进入二段吸 人罐。 1.2乙烯制冷系统 环制冷系统,每个制冷循环包括多个蒸发温度级的 制冷量,同时两个制冷循环相互联系,构成一个复 杂的复迭式制冷系统。 1.1丙烯制冷系统 在乙烯装置中,乙烯制冷系统为裂解气低温分 离装置提供一101,一75,一63℃3个温度级的冷量。 其中主要冷量用户为裂解气在冷箱的预冷以及脱甲 烷塔塔顶冷凝,对于低压脱甲烷顺序分离流程而言, 乙烯制冷系统的冷量约60%~70%用于脱甲烷塔进 在乙烯装置中,丙烯制冷系统为裂解气分离装 置提供一4O,一24,一7.5,l5℃4个温度级的冷量。 收稿日期:201 l—O8—04 作者简介:徐鹏(1979一),男,辽宁抚顺人,2001年毕业于辽宁石油化工大学,研究方向:从事化工技术工作。E-mail:xupeng—mail@l63.COrll。 l014 当 代 化 工 201 1年10月 料预冷(冷箱预冷),其余30%~40%用于脱甲烷塔 塔顶冷凝。 1—2工质在压缩机内进行可逆绝热压缩,是 等熵过程,Q=O; 2—3工质在等温条件下冷凝为饱和液体,向 高温处所排的热量Q = ( 一 ); 3—4工质在膨胀机内可逆绝热膨胀,是等熵 过程,Q=0; 4—1工质在等压等温条件下汽化,向低温物 质(与排热时相比)吸收汽化潜热,吸取的热量 Q2: ( 一 )。 工质完成一个循环,回到初始状态1,外界向 系统输入净功W,W=Q 一Q2= ( -一 )一 ( 一 ), 图1 抚顺乙烯闭式热泵工艺 Fig.1 Close-loop heat pump system of Fushun ethylene plant 制冷系数是所获得的制冷量Q2与输入功 的 比值,用 co 来表示,即: COP ̄-Q/W=QJ(Q 一Q2), 对于逆卡诺循环的制冷系数 卵有: kcop:Q2/(Q1一Q2)= ( 一 ) 1一压缩机;2-再沸器;3-冷剂罐;4-节流阀;5-冷凝器;6-精馏塔: 7一回流罐;8一回流泵;9-辅助再沸器 2制冷系统相关理论 2.1 理想的制冷循环——逆卡诺循环… 由热转变为功的理想热机循环是卡诺循环,如 果将工质循环方向反其道而行(图2,3),则为理想 的制冷循环,即逆卡诺循环。 由以上分析可见,制冷的温度 越低,则制冷 系数 o 越小,提供单位冷量所消耗的压缩功越大。 2.2生产中的压缩制冷循环分析 逆卡诺循环的各步都是可逆过程,功损失无限 小。而实际的制冷循环与逆卡诺循环之间有一定的 差距,因为实际制冷过程中有不可逆损失,如冷凝 温差较大、节流阀代替膨胀机、需要工质过冷和过 热过程等,都会使制冷系数降低。 2.3复迭制冷n 由工质的性质可知,要制取一lO2℃的液体冷 剂,要选用乙烯制冷工质。乙烯的临界温度为9.21 图2制冷循环示意图 Fig.2 Refrigeration cycle system ℃,要用液态丙烯作为使乙烯冷凝的冷剂较为合适, 因此要设置丙烯循环制冷系统。这样乙烯气体冷凝 过程向液体丙烯排热,丙烯气体冷凝过程向冷却水 排热,使乙烯、丙烯复迭起来,组成复迭制冷(也 叫串级制冷)系统。在裂解气深冷分离工程中,采 用冷剂并使能量得到较为合理的利用。 1一压缩机;3一膨胀机;2、4一热交换器;Q・一压缩机放出的热量 Qz一膨胀机放出的热量 3制冷压缩机出口压力超高原因分析 3.1 丙烯制冷系统分析 在乙烯装置开车过程中,丙烯制冷系统相关参 数如表l。从表1各参数中可以看出,丙烯压缩机 图3逆卡诺循环的T—S图 Fig.3 Inverse Carnot cycle T-S System 转速很低,吸入温度偏高,除三段吸入罐压力超高 放火炬外,其它各段间罐压力无太大异常。 表1 丙烯制冷系统相关参数 Table 1 Relevant parameters of the propylene refrigeration system 装置检修后开车过程中,由于乙烯罐存少,没 有向乙烯精馏塔充乙烯,由丙烯制冷系统与乙烯精 第4O卷第l 0期 徐鹏:乙烯装置开车时冷箱高温原因分析及处理 lOl 5 馏塔组成的热泵系统可以看出,压缩机出口高温, (3)由简单的理想气体状态方程: 丙烯气体不能在塔釜再沸器中被冷凝,同时丙烯冷 nRT=PV 剂也不能在塔顶冷凝器中被蒸发而返回压缩机。针 或饱和蒸汽压定义,或热力学第一定律: 对这种情况做出如下分析: Q=A U+ZpdV+ (1)由于一段两个最大的冷量用户不能投用, 都可知较高的三段吸人罐压力使其作为二段冷 使一段吸入压力偏低30 kPa,给操作人员造成错觉, 剂的液相丙烯温度升高,二段一24℃用户中用于与 认为丙烯制冷系统负荷较低,使丙烯制冷压缩机控 乙烯制冷系统复迭制冷的大型换热器将受到影响, 制在较低转速。 既而影响乙烯制冷。 (2 三段吸人罐中大部分气相丙烯是靠乙烯精 3-2乙烯制冷系统分析 馏塔塔釜再沸器冷凝下来,由于乙烯精馏塔没有物 在乙烯装置开车过程中,乙烯制冷系统相关参 料,三段吸入罐中气相丙烯无法冷凝,使三段吸人 数如表2。 罐压力超高放火炬;较低的压缩机转速会使三段用 从表2各参数中可以看出,一段吸人压力超高 户冷剂温度偏高,达到同样的冷量则需要更多的冷 (超量程),三段排出压力较高,三段吸人罐压力超 剂蒸发,也会造成三段吸入罐压力高。 高并放火炬,各段间温度均很高。 表2乙烯制冷系统相关参数 Table 2 Relevant parameters of the ethylene refrigeration system 压缩机在一定转速下,吸入压力增高,排出压 开车工况时冷箱温度为…99 106℃,而达到一150 力也随之增加。开车工况时吸人压力超高,是导致 以下时的氢气纯度才允许向甲烷化反应器进料, 出口压力超高的直接原因,同时,压缩机出口温度 具体数据见表3。 也影响压缩机出口压力,出口温度受丙烯制冷系统 表3不同温度下氢气组成参数 Table 3 Parameters of Gas composition at 复迭制冷影响。分析乙烯制冷压缩机各段吸入压力 different temperature % 高的原因有: (1)压缩机吸人流量过低,也就是说压缩机 转速过低。但是从上表可以看出压缩机转速并不低, 而且压缩机出口压力超高,在也说明压缩机转速不 低。 (2)用户蒸发量过大。从参数中可以看出, 没有氢气,各加氢反应器亦不能进料,后序系 各段冷剂温度很高,达到同样多的冷量则需要的冷 统无法实现开车。对冷箱温度过高的原因进行分析: 剂用量就会更多,从而导致段间罐压力超高,并且 (1)裂解气压缩机出口压力低。而裂解气压缩 段间罐不积液。 机出口压力没有任何异常,并且裂解气出口压控阀 (3)最小返回流量过大。最小返回线是从压 已全关,不可能成为冷箱温度过高的主要原因。 缩机出口返回到压缩机各段间罐的返回线,工质压 (2)冷箱是通过节流膨胀制冷的,节流膨胀后 力高、温度高。现已将最小流线尽可能关小,不能 的制冷能力与压力差和温度差有关,温度差越大, 成为解决的办法。 则制冷能力越强,相反则越弱;同时冷箱节流膨胀 3.3复迭制冷 的工质是甲烷与少量的氢气,过高的进料温度将使 在乙烯、丙烯、甲烷一氢三元复迭制冷系统中, 得甲烷中带有碳二及以上组分,节流膨胀能力会降 物质在低温下极易散冷,所以在冷剂换热过程中大 低。冷箱进料预冷所需冷量占乙烯制冷系统产生冷 量的使用冷箱。因此,冷箱的操作和注意事项对装 量的60%~70%,乙烯制冷系统工况直接影响冷箱进 置的稳定和节能减耗有着重要的意义。在实际应用 料温度。开车工况时乙烯制冷系统工况很差,脱甲 中,多采用可以进行多级预冷的设备即冷箱来进一 烷塔顶温度仅能控制在一85℃,导致进行节流膨胀 步提高制冷循环的效果,由此获得一160℃左右的 的甲烷一氢组分中含有碳二等重组份,冷箱进料温 低温冷量,以满足甲烷~氢分离所需的低温冷量。 度较高,深冷分离效果差,节流工质组分复杂,制 化 工 201 1年l0月 冷能力明显不足,导致冷箱温度过高。 在三元复迭制冷系统中,乙烯制冷剂可以获得 一最终降低冷箱温度,后序系统开始进料。 (2)提高丙烯制冷系统的制冷能力。在理想制 冷循环中,W_-Q 一Q ( 为外界向系统作的净功; Q。为系统想高温热源排出的热量;Q 为系统向外界 吸收的热量)所以提高压缩机转速,会提高向冷却 102℃左右的低温,但在压缩一冷凝一节流一蒸发的 蒸汽压缩制冷循环中,由于受乙烯临界点的限制, 其冷凝温度必须低于其临界温度9.9℃。在实际的 应用中,我们选择丙烯作为乙烯冷凝的介质。而丙 烯压缩机用户EA一602和EA一605分别提供了 l5 和一24℃的冷量,也是通过这两个用户使丙 烯压缩机和乙烯压缩机实现复迭制冷。因此,丙烯 制冷系统运行正常与否很大程度上就决定了乙烯制 冷系统能否达到其制冷效果,也就限制了冷箱系统 的温度。 器排出的热量,也会提高向用户吸收的汽化潜热。 也就是说提高丙烯制冷压缩机转速能够提高其制冷 能力。再通过复迭制冷降低乙烯制冷压缩机出口压 力,提高乙烯制冷系统制冷能力,同时提高了丙烯 制冷系统中裂解气冷却器用户的制冷能力,减少了 乙烯制冷系统中冷箱进料预冷用户的负荷。逐渐降 低冷箱温度至合格,分离开始进料,乙烯精馏塔进 料,与丙烯制冷系统组成的热泵开始运行。热泵运 行后丙烯制冷系统工况将会好转,形成良性循环。 (3)提高乙烯制冷系统的制冷能力。与上述 而作为丙烯制冷系统最大用户的乙烯精馏塔能 否正常吸收和提供冷量则直接影响丙烯制冷系统的 正常运行。 综合以上原因,乙烯精馏塔限制了丙烯制冷系 统,丙烯制冷系统不足以复迭制冷乙烯制冷系统, 情况基本相同,亦是提高压缩机转速来提高制冷能 力。 (4)提高冷箱制冷能力。冷箱制冷能力与压 力差和温度差有关,节流前温度越低,节流后制冷 温度也越低,降低工质温度的方法就是提高丙烯制 冷系统和乙烯制冷系统的制冷能力;压力差越大, 节流制冷能力越强,节流后压力为微正压,只能提 高节流前的压力,提高节流前的压力就是提高裂解 气压缩机出口压力。 4.2解决方案的选择 乙烯制冷系统又影响了冷箱温度,冷箱温度高导致 乙烯精馏塔不能正常开车。如此相互影响制约,形 成恶性循环,不仅影响开车时间,造成损失,更会 使原本很少的乙烯罐存消耗殆尽。 4解决方案 4.1 可参考的解决方案 按照上述分析,解决方案应从以下几个方面选 择: (1)热泵开车。将乙烯精馏塔接乙烯全回流循 乙烯储罐罐存很少,乙烯精馏塔不能接乙烯 剂;乙烯制冷压缩机出口压力超高,再提高转速会 造成出口安全阀起跳;裂解气压缩机出口压控阀全 关,并且裂解气压缩机转速是根据裂解负荷设定的, 提高裂解负荷会造成过多物料放入火炬系统,所以 只能以提高丙烯压缩机转速为解决方法。 系统调整前后数据对比见表4。 环操作,使丙烯制冷系统与之形成的热泵运作起来, 从而降低丙烯制冷压缩机三段吸人罐压力,降低二 段用户冷剂温度,使复迭制冷能力得到提高。乙烯 制冷系统出口冷剂得以过冷,段间罐开始积液,降 低了冷剂蒸发量,这样压缩机吸人压力也被降低了, 表4系统调整前后相关参数对比 Table 4 Comparison of relevant parameters before and after adjustment of the system 4.3提高丙烯压缩机转速注意事项 (1)提高压缩机吸人压力。由于一段用户只 烯制冷系统制冷能力满足不了其他用户的冷量,所 以需要提高压缩机转速。提高压缩机转速要在吸人 压力足够的情况下进行操作,否则容易造成吸入压 力过低,压缩机易发生喘振。为降低吸人温度,可 以利用一段喷淋阀。它是从四段吸入罐引出的高压 液相丙烯通过喷淋阀(即节流阀)直接减压到一段 有裂解气冷却器投用,而丙烯制冷系统最大冷量用 户乙烯精馏塔塔顶冷凝器未投用,所以一段用户蒸 发量较低,一段吸入罐压力偏低。但这并不代表压 缩机所有用户负荷,其他段问用户蒸发量较大,丙 第40卷第10期 徐鹏:乙烯装置开车时冷箱高温原因分析及处理 1017 吸入罐,是用来降低吸人温度的。在降低吸入温度 况,开车顺利进行。此次对乙烯装置冷箱高温原因 的同时被高温的返回丙烯加热,提高了压缩机一段 深入分析及研究,得到以下结论: 吸人流量。 (1)丙烯制冷系统和乙烯精馏塔系统应同时 (2)转速提高的限度。压缩机转速不是越高 开车,保证热泵的正常循环操作。若特殊情况须要 越好。随着转速的提高,制冷能力也越高,随之制 单开丙烯制冷系统,应注意工况的不同,考虑复迭 冷系数 。 越小提供单位冷量所耗的压缩功越大。 制冷能力。 较高的压缩机转速需要的吸入量也越大,然而随着 (2)丙烯制冷系统和乙烯制冷系统用户负荷, 制冷能力的提高,冷剂蒸发量越来越低,满足不了 不能单纯由一段吸人压力来确定。制冷系统的目的 吸入量,严重时需要增加返回流量,加大了不可逆 就是为各级用户提供足够冷量,要综合参考每一个 功的损耗。压缩机的转速应根据各级用户负荷来判 用户负荷,来判断制冷系统的制冷能力。 断。当丙烯制冷系统某段用户冷剂用量过大,造成 (3)通过此次事件,应充分认识复迭制冷关 系统压力高,或冷剂温度较高时,应提高压缩机转 系的重要性,甲烷制冷系统、乙烯制冷系统、丙烯 速;冷剂用量最大的用户因制冷能力提高而蒸发量 制冷系统以及冷箱系统联系紧密,任何一个系统出 随之逐渐减小,由喘振曲线可知压缩机某段吸人量 现异常都不应单独分析,应该逐级查找原因,综合 减小到一定程度需通过最小流量线补充吸人流量, 分析判断,才能从根本上解决问题。 当即将需要打开最小流线时,可停止提高转速。 参考文献: 5结束语 [1]王正烈,周亚平.物理化学(上册)[M].北京:高等教育出版社 2001. [2]陈滨.乙烯工学[MI.北京:化学工业出版社,1997. 通过提高丙烯压缩机转速及相关调整,丙烯制 [3]李作政.乙烯生产与管理[M].北京:中国石化出版社,1992. 冷系统、乙烯制冷系统、冷箱系统很快达到正常工 [4]王松汉.乙烯工艺技术[M].北京:中国石化出版社,2009. 《四川化工》杂志2012年征订启事 《四川化工》杂志是由四川省化学工业研究设计院、四川省化工信息中心、四川省化工防腐蚀技术情 报中心站联合主办的、面向国内外发行的全面反映四川省化工行业科技、生产、市场、信息等综合性的学 术期刊。本刊曾荣获全国石油和化工行业优秀期刊奖。 本刊为: ★《中国期刊网》收录期刊 ★《中国学术期刊(光盘版)》收录期刊 ★中国万方期刊网群数据库收录期刊 ★《中国核心期刊(遴选)数据库》全文收录期刊 《四川化工》办刊宗旨是:紧密围绕化学工业的发展实际,坚持“大化工”观念,全方位、多层面地 为化工生产和科技进步服务。详细报道化工生产、科研、设计的最新成果及化工行业科技进步的动态;综 合分析产品市场和技术应用市场的前景和走势;传递国内外有关化工新技术发展动态和新产品开发信息, 为加速科研成果产业化、市场化牵线搭桥。刊物的主要读者群为农用化工、两碱、橡胶加工、精细化工、 合成材料、国防化工、腐蚀与控制等行业的经营管理、科研设计、开发人员,工矿企业、公司的科技、生 产管理人员及技术施工人员,和大专院校的师生。 本刊为双月刊,每期8元,全年48元,国内外公开发行;刊号为:CN5l-1623/TQ和ISSN 1672—4887; 广告经营许可证号为:5100004000923。 《四川化工》杂志欢迎广大新老朋友订阅、投稿和刊登广告。 订阅办法: 1、银行汇款: 户 名:四川省化学工业研究设计院 开户银行:工商银行成都武侯祠支行 账 号:4402256009003300402 2、邮局汇款:成都市武侯祠大街30号《四川化工》编辑部 邮编:610041 联系电话:028.85542863 1 365806 1 70 1 传真:028.85542863 投稿E.mail:schgbjb@sina.com 

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