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1、乙烯装置开车时冷箱高温原因分析及处理第4O卷第10期2011年10月当代化工ContemporaryChemicalIndustryVo1.40,No.i0October,2011乙烯装置开车时冷箱高温原因分析及处理徐鹏,王瑶,谢春丽(中国石油抚顺石化公司,辽宁抚顺113004)摘要: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;乙烯装置开车中图分类号:TQ221.211
2、文献标识码:A文章编号:16710460(2011)10101305CauseAnalysisandSolutionsoftheColdBoxHighTemperatureDuringtheStart-upofEthylenePlantXUPeng,WANGYao,XIEChunli(FushunPetrochemicalCompany,LiaoningFushun113004,China)Abstract:AimingatthecoldboxhightemperaturesituationduringthestartupofFushunethyleneplantafteroverhaul,r
3、unningparametersofthepropylenerefrigerationsystemandtheethylenerefrigerationsystemduringthestartupwereanalyzed.Combinedwiththecascaderefrigerationrelationshipofpropylenerefrigerationsystem,ethylenerefrigerationsystemandthemethane-hydrogensystem,reasonstoresultincoldboxhightemperatureduringthestartup
4、werefound,andcorrespondingmeasureswereputforward.Keywords:Refrigerationsystem;Coldbox;Cascaderefrigeration;Startupofethyleneplant2011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一99106,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较少未接乙烯;丙烯制冷压缩机三段吸人罐压力超高放火炬,一,二段
5、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.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,丙烯制冷系统为裂解气分离装置提供一4O,一24,一7.5,l54个温度级的冷量.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
6、.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60%70%.其次为乙烯制冷剂的冷凝和冷却所消耗的冷量,约占丙烯制冷系统总功耗的17%20%.抚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,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一101,一75,一6
7、33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%用于脱甲烷塔进收稿日期:201lO804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:xupengmaill63.COrll.l014当代化工2011年10月料预冷(冷箱预冷),其余30%40%用于脱甲烷塔塔顶冷凝.图1抚顺乙烯闭式热泵工艺Fig.1Close-loopheatpumpsystemofFushunethyleneplant1一压缩机;2-再沸器;3-冷剂罐;4-节
8、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.图2制冷循环示意图Fig.2Refrigerationcyclesystem1一压缩机;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图3逆卡诺循环的TS图Fig.3InverseCarnotcycleT-SSystem12工质在压缩机内进行可逆绝热压缩,是等熵过程,Q=O;23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);
9、34工质在膨胀机内可逆绝热膨胀,是等熵过程,Q=0;41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),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)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,
10、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,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.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
11、烯压缩机转速很低,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Table1Relevantparametersofthepropylenerefrigerationsystem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l0期徐鹏:乙烯装置开车时冷箱高温原因分析及处理lOl5馏塔组成的热泵系统可以看出,压缩机出口高温,丙烯气体不能在塔釜再沸器中被冷凝,同时丙烯冷剂也不能在塔顶冷凝器中被蒸发而返回压缩机.针对这种情况做出如下分析:(1)由于一段两个最大的冷量用户不能投用,使一段吸入压力偏低30k
12、Pa,给操作人员造成错觉,认为丙烯制冷系统负荷较低,使丙烯制冷压缩机控制在较低转速.(2三段吸人罐中大部分气相丙烯是靠乙烯精馏塔塔釜再沸器冷凝下来,由于乙烯精馏塔没有物料,三段吸入罐中气相丙烯无法冷凝,使三段吸人罐压力超高放火炬;较低的压缩机转速会使三段用户冷剂温度偏高,达到同样的冷量则需要更多的冷剂蒸发,也会造成三段吸入罐压力高.(3)由简单的理想气体状态方程:nRT=PV或饱和蒸汽压定义,或热力学第一定律:Q=AU+ZpdV+都可知较高的三段吸人罐压力使其作为二段冷剂的液相丙烯温度升高,二段一24用户中用于与乙烯制冷系统复迭制冷的大型换热器将受到影响,既而影响乙烯制冷.3-2乙烯制冷系统分
13、析在乙烯装置开车过程中,乙烯制冷系统相关参数如表2.从表2各参数中可以看出,一段吸人压力超高(超量程),三段排出压力较高,三段吸人罐压力超高并放火炬,各段间温度均很高.表2乙烯制冷系统相关参数Table2Relevantparametersoftheethylenerefrigerationsystem压缩机在一定转速下,吸入压力增高,排出压力也随之增加.开车工况时吸人压力超高,是导致出口压力超高的直接原因,同时,压缩机出口温度也影响压缩机出口压力,出口温度受丙烯制冷系统复迭制冷影响.分析乙烯制冷压缩机各段吸入压力高的原因有:(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
14、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,各段冷剂温度很高,达到同样多的冷量则需要的冷剂用量就会更多,从而导致段间罐压力超高,并且段间罐不积液.(3)最小返回流量过大.最小返回线是从压缩机出口返回到压缩机各段间罐的返回线,工质压力高,温度高.现已将最小流线尽可能关小,不能成为解决的办法.3.3复迭制冷在乙烯,丙烯,甲烷一氢三元复迭制冷系统中,物质在低温下极易散冷,所以在冷剂换热过程中大量的使用冷箱.因此,冷箱的操作和注意事项对装置的稳定和节能减耗有着重要的意义.在实际应用中,多采用可以进行多级预冷的设备即冷箱来进一步提高制冷循环的
15、效果,由此获得一160左右的低温冷量,以满足甲烷氢分离所需的低温冷量.开车工况时冷箱温度为99106,而达到一150以下时的氢气纯度才允许向甲烷化反应器进料,具体数据见表3.表3不同温度下氢气组成参数Table3ParametersofGascompositionatdifferenttemperature%没有氢气,各加氢反应器亦不能进料,后序系统无法实现开车.对冷箱温度过高的原因进行分析:(1)裂解气压缩机出口压力低.而裂解气压缩机出口压力没有任何异常,并且裂解气出口压控阀已全关,不可能成为冷箱温度过高的主要原因.(2)冷箱是通过节流膨胀制冷的,节流膨胀后的制冷能力与压力差和温度差有关,温
16、度差越大,则制冷能力越强,相反则越弱;同时冷箱节流膨胀的工质是甲烷与少量的氢气,过高的进料温度将使得甲烷中带有碳二及以上组分,节流膨胀能力会降低.冷箱进料预冷所需冷量占乙烯制冷系统产生冷量的60%70%,乙烯制冷系统工况直接影响冷箱进料温度.开车工况时乙烯制冷系统工况很差,脱甲烷塔顶温度仅能控制在一85,导致进行节流膨胀的甲烷一氢组分中含有碳二等重组份,冷箱进料温度较高,深冷分离效果差,节流工质组分复杂,制化工2011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
17、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.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,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
18、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,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
19、提高向冷却器排出的热量,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
20、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.表4系统调整前后相关参数对比Table4Comparisonofrelevantparametersbeforeandafter
21、adjustmentofthesystem4.3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)直接减压到一段第40卷第10期徐鹏:乙烯装置开车时冷箱高温原
22、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
23、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,
24、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.5结束语通过提高丙烯压缩机转速及相关调整,丙烯制冷系统,乙烯制冷系统,冷箱系统很快达到正常工参考文献: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,1997.3李作政.乙烯生产与管理M.北京:中国石化出版社,1992.4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
25、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ISSN16724887;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:44022560090033004022,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:028.8554286313658061701传真:028.85542863投稿E.mail: