乙烯裝置冷區工藝設計論文

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1乙烯裝置冷區技術特點

1．1冷區工藝特點

乙烯裝置根據生產流程分為裂解爐系統、急冷系統、壓縮系統、冷分離系統、熱分離系統及制冷系統。主要產品為聚合級乙烯和丙烯，主要副產品為富甲烷氣、混合碳四、粗裂解汽油和裂解燃料油。采用順序分離流程的乙烯裝置中，冷分離回收部分即冷區是工藝流程最復雜的部分，冷區包括裂解氣深冷及脫甲烷塔系統和碳二分離系統，還有與之密切關聯的二元制冷和丙烯制冷系統。冷區的介質溫度低，兩相流管道多，工藝物流和冷劑在冷箱及單臺板翅式或管殼式換熱器、進料分離罐、冷劑罐等設備之間來往，還有相對安裝高度及坡度等要求，也是主要產品乙烯和副產品氫氣、富甲烷氣(燃料)的產出部位。消耗冷量大，脫甲烷塔進料(裂解氣)激冷和脫甲烷塔所需冷量占比例最大，占總冷負荷的50%以上，其次是碳二分離系統即乙烯精餾塔頂冷凝器和脫乙烷塔塔頂冷凝器，占總冷負荷的45%以上，順序流程的冷量負荷分配和按冷負荷分配的軸功率。深冷脫甲烷、氫氣純化:深冷分離出來的富甲烷氣作為本裝置裂解爐和/或其它用戶汽油加氫單元的燃料氣，過量的燃料氣將送入裝置外全廠燃料氣系統。采用低壓脫甲烷系統、兩段節流膨脹制氫和甲烷/乙烯混合二元制冷。粗氫經過甲烷化反應器脫除CO，然后干燥脫除甲烷化反應生成的水，干燥后氫氣產品除用于裝置本身碳二、碳三加氫反應器的需要外，多余氫氣產品也供其它用戶如汽油加氫單元，或送到裝置外氫氣管網，粗氫或純化后氫氣也可送燃料氣系統。

1．2冷區設備特點

深冷分離系統和制冷系統中的熱交換設備除核心設備冷箱外，還有不少單臺換熱器，裝置規模大型化后，普通管殼式換熱器計算尺寸大，設備設計和制造困難，也不利于設備布置，因此對介質干凈的丙烯冷劑、C2物流，如乙烯精餾塔再沸器、中沸器、冷凝器、脫乙烷塔冷凝器、丙烯冷劑冷凝器等采用單個板翅式換熱器(板翅芯在罐內(簡稱CIV即CoreinVessel))、高效換熱器，既可提高傳熱效率、減少壓損和冷損失，又可縮小設備尺寸，有利于設備布置。塔系統比較復雜，低溫操作，塔內填料層或設備塔板層數多，再沸器、中沸器多，塔頂冷凝器采用丙烯或二元冷劑，泵多是低溫泵。制冷壓縮機采用多段離心式壓縮機，以前采用丙烯、乙烯、甲烷單組分制冷系統，近年采用甲烷、乙烯二元或甲烷、乙烯和丙烯三元組分制冷。

2福建乙烯裝置冷區工藝設計流程說明

2．1裂解氣深冷脫甲烷、氫氣純化系統

裂解氣壓縮、干燥后進入深冷分離系統，裂解氣用工藝物流和丙烯及二元冷劑漸進激冷到－72℃后進入脫甲烷塔第一進料分離罐，凝液被分成兩股并經自身換熱后作為脫甲烷塔的第一和第二股進料。來自脫甲烷塔第一進料分離罐頂的裂解氣在冷箱中用甲烷尾氣和二元冷劑激冷到－95℃。凝液在第二進料分離罐中被分出并送往脫甲烷塔作為第三股進料。來自第二進料分離罐頂的裂解氣在冷箱中用氫氣和甲烷尾氣進一步激冷到－130℃。凝液在第三進料分離罐中被分出并送往脫甲烷塔作為第四股進料。從第三進料分離罐中分出的甲烷氫物料經過兩級冷卻和閃蒸后得到富甲烷氣和氫氣產品。氫氣在冷箱中回收冷量后大部分進入甲烷化系統以脫除一氧化碳，經過干燥后送往乙炔、MAPD、汽油等加氫反應器用戶，剩余的送往裝置外氫氣系統。分出的甲烷在冷箱中回收冷量后也送往燃料氣系統。脫甲烷塔頂分出甲烷氫尾氣進入冷箱回收冷量，加熱到30℃后作為裝置內干燥器、反應器的再生氣，甲烷氫尾氣最終作為裝置的燃料氣。脫甲烷塔的塔釜液是C2及以上組分，由泵加壓送到冷箱，在冷箱中用丙烯冷劑液體等熱物流回收冷量，然后分成2股去脫乙烷塔。

2．2碳二分離系統

脫甲烷塔塔釜液經冷箱回收冷量后分為2股，一股直接作為脫乙烷塔的上部進料，另一股經裂解氣預熱后作為脫乙烷塔的下部進料。脫乙烷塔的回流由－28℃丙烯冷劑冷凝塔頂氣體提供，塔釜再沸器由急冷水加熱。另有1臺由低壓蒸汽提供熱量的備用再沸器以保證操作的連續性。脫乙烷塔塔頂凈產品進入乙炔加氫反應器系統，2臺乙炔轉化器，1開1備，每臺為3段床疊放，床層帶中間冷卻器。經過3段床，乙炔被選擇加氫成乙烯和乙烷。乙炔轉化生成的綠油用來自乙烯精餾塔的一股物流洗滌脫除。乙烯精餾塔有塔釜再沸器和中沸器，中沸器采用裂解氣做再沸介質，塔釜再沸器所需熱量則由丙烯制冷三段罐頂氣體和二段抽出混合丙烯氣提供，塔頂回流由－40℃丙烯冷劑提供。塔釜循環乙烷在進入進料處理系統之前經裂解氣汽化和在冷箱中回收冷量。乙烯精餾塔產品輸出系統設有1套低溫乙烯產品板翅式換熱器。

2．3制冷系統

1)丙烯制冷。丙烯制冷系統是1個閉環4段系統，它使用蒸汽透平驅動離心式壓縮機。系統提供4級制冷:－40℃、－27℃、－3℃和13℃，冷卻水用來冷凝壓縮機的排出氣體，在排出口設置有液體收集罐，可用做液封，使氣體能夠冷凝。丙烯制冷系統的每一級均設置吸入罐，用做各級用戶的緩沖和減少液體夾帶入壓縮機。

2)二元制冷。二元制冷系統用來提供－40℃到－135℃的制冷溫度，是一個二元組分(含微量氫氣)，恒定組成甲烷、乙烯的混合冷劑系統，它是一個閉環、三段系統，使用蒸汽透平驅動離心式壓縮機，替代了乙烯和甲烷制冷系統，可節省投資和占地。二元制冷壓縮機排出氣體首先經冷卻水和高溫位的丙烯冷劑冷卻，后經尾氣、－40℃丙烯制冷劑和其自身的二元制冷冷劑冷凝，各級二元制冷冷劑流股將裂解氣冷到設定的溫度。二元制冷系統的各段設置吸入罐，還有液體收集罐和脫不凝氣罐。

3福建乙烯裝置冷區改造工藝介紹

深冷分離系統的關鍵設備冷箱不可能拆分和改造流道，為滿足改造后的能力要求，新增并聯1套裂解氣深冷線，相應二元制冷和丙烯制冷系統新增或改造設備以滿足新的冷負荷要求。新增設備位號后綴字母N，改造老設備位號后綴字母M，更換設備位號后綴字母R，成套設備如冷箱內單個設備位號后綴加X，以便與原裝置設備位號區分。

3．1深冷分離及脫甲烷塔系統、二元制冷系統改造內容

脫甲烷塔是乙烯裝置深冷分離的關鍵塔系，與冷箱及二元制冷系統密切相關，流程復雜，模擬計算難度大。對順序分離流程，直接關系到乙烯裝置的分離效果和能力，FREP乙烯脫瓶頸改造深冷分離系統工藝設計結合現場運行情況，對原800kt/a乙烯裝置脫甲烷塔的老原料老負荷進行流程模擬，隨后就新原料、新組成、新工況和新產能做了整體模擬和新老冷箱的負荷分配。在流程模擬計算中嘗試了很多方案，最終在新冷箱的流程設計中采取了大量優化措施，以確保實際操作過程中關鍵物流的操作條件可控。原裝置的冷箱及板翅式換熱器均由杭氧集團供貨，故FREP委托杭氧集團進行改造冷箱能力分析。杭氧集團對改造后原有1大1小2套冷箱和新增1套冷箱的工藝要求進行核算和設計，得出結論:老大、小冷箱(PA30301、PA30302)可利舊，無需改造。新冷箱(PA30301N)和3臺新增板翅換熱器提供工藝數據和技術要求由杭氧集團進行設計和制造。新增裂解氣深冷系統與原有裂解氣系統流程基本相同，但在局部做了優化調整。為滿足去EO/EG的甲烷要求，新增1路中壓甲烷流道，且新冷箱沒有丙烯產品減負荷，故新冷箱的流道設計與老冷箱有區別。新冷箱的二元冷劑流道設置大部分與老冷箱相似，設計時根據新的裂解氣深冷需要冷量和二元制冷系統改造要求進行匹配，新增二元冷劑脫不凝氣罐(D55555NX，放在新冷箱內)。新冷箱內冷凝的二元冷劑進入原二元冷劑液體收集罐(D55554)。新老冷箱系統來的二元冷劑分別進入二元制冷系統的各段吸入罐，因新冷箱中二元冷劑用戶進入一段罐的氣量大幅增加，需要新增一段吸入罐(D55551N)。新增裂解氣深冷線新增工藝設備:1套冷箱、3臺脫甲烷塔進料分離罐、2臺甲烷/氫分離罐及6臺的換熱器。新冷箱(PA30301N)含12個位號的板翅，2臺新甲烷/氫分離罐(D30304NX、D30305NX)和1臺二元冷劑罐(D55555NX)移進新冷箱內，這3臺罐操作溫度低于－140℃、尺寸較小，移進冷箱內有利于新增冷箱和深冷分離相關設備的布置和減少冷損。與新增裂解氣深冷系統相匹配，裂解氣作為乙烯精餾塔新增中沸器、脫甲烷塔新增再沸器和中沸器的熱源。

3．2碳二分離系統

碳二分離系統有脫乙烷塔、C2加氫反應器、干燥器和乙烯精餾塔(C40402M)，碳二分離系統的工藝流程如圖5所示。碳二分離系統所消耗的丙烯冷劑量最大，是丙烯制冷系統的主要冷劑用戶，同時關系著乙烯產品的產量和質量，是裝置性能考核的主要指標。1)脫乙烷塔改造。脫乙烷塔(C40401)原設計采用70塊浮閥塔板，改造方案是更換原70塊浮閥塔板，采用19塊ECMD和54塊MD塔板共83塊塔板，脫乙烷塔頂冷凝器(E40403R)更換為高效換熱器，新增1臺急冷水再沸器(E40401N)，回流泵更換(P40401AR/BR)，回流罐改造內件更換高效除沫器。2)乙烯精餾塔改造。脫乙烷塔頂C2氣相經過加氫后碳二物流進入乙烯精餾塔。乙烯精餾塔是裝置的關鍵產品塔，塔板數多，塔徑大，也是丙烯制冷系統的主要冷劑用戶，因此需要綜合考慮擴大塔的生產能力、分離效果滿足產品質量指標，還要考慮其對能耗的影響。原設計采用162塊浮閥塔板，根據塔內件廠家意見，塔殼體利舊，將162塊浮閥塔板一對一全部更換為155塊MD塔板，乙烯精餾塔因進料、抽出產品的需要，塔板數減少7塊。

4結論

4．1國產化乙烯工藝設計技術成熟可靠和進一步發展

FREP乙烯裝置脫瓶頸改造首次采用了中石化自有的工藝包設計和工程設計，圓滿完成了乙烯裝置脫瓶頸改造項目任務。此次FREP乙烯裝置改造歷時短，見效快，說明國內特大型乙烯裝置的工藝技術、工程設計、設備制造、施工安裝、操作運行經驗和能力已達到國際先進水平，為我國同規模乙烯裝置的改造積累了寶貴的經驗，并為今后百萬噸型乙烯裝置的新建或改造工程奠定了良好的基礎。

4．2設備及設備內件實現國產化

使用經驗證明，無論是新增或更換設備及改造設備內件均達到設計要求，尤其是冷箱及板翅式換熱器、塔內件，如脫甲烷塔、脫乙烷塔和乙烯精餾塔改造采用高性能填料及MD/ECMD塔板，不僅施工進度有保證，而且開車后工藝性能優良，對乙烯裝置的產能達到改造目標起到了關鍵作用。改造采用國產催化劑和干燥劑，性能完全滿足工藝要求，價格和供貨周期比進口催化劑和干燥劑有較大優勢，也為乙烯裝置的技術國產化提供有力支持。

作者:雷正香單位:中國石化工程建設有限公司