裂解氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

賀宏偉（陜西延長(zhǎng)石油延安能源化工有限責(zé)任公司 陜西省西安市 710075）

前言

乙烯是一種重要的化工基礎(chǔ)原料，其生產(chǎn)能力通常是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要指標(biāo)。隨著其需要量的逐漸增加，老的生產(chǎn)技術(shù)不斷得以完善、成熟，新的工藝技術(shù)不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其中最重要的、生產(chǎn)能力最大的為蒸汽熱裂解工藝[1]，但近些年來(lái)研究重點(diǎn)正在向催化裂解方向發(fā)展，如MTO、ACO及DCC等。然而不管工藝技術(shù)如何發(fā)展更新，裂解氣壓縮機(jī)都將是其中一臺(tái)非常關(guān)鍵的設(shè)備。裂解氣壓縮機(jī)用于提高裂解氣的靜態(tài)焓和壓力[2]，以為后序分離提供足夠的能量，最終得到聚合級(jí)乙烯產(chǎn)品。為了保證后續(xù)分離技術(shù)要求，降低投資及操作費(fèi)用，裂解氣壓縮機(jī)必須要有一個(gè)比較合理的結(jié)構(gòu)。

一、ACO工藝裂解氣壓縮機(jī)

ACO工藝即Advanced Catalytic Olefins先進(jìn)的催化制烯烴技術(shù)。它由KBR和SK公司共同開(kāi)發(fā)，KBR全球?qū)＠跈?quán)。采用FCC流化床反應(yīng)器，將石腦油等輕烴在SK專(zhuān)利催化劑作用下，生產(chǎn)乙烯和丙烯產(chǎn)品。其中裂解氣壓縮機(jī)流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1.ACO工藝中裂解氣壓縮機(jī)流程簡(jiǎn)圖

由圖可以看出，該工藝中裂解氣壓縮機(jī)除了連接反應(yīng)和分離部分之外，最后一段與脫丙烷塔系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)熱泵系統(tǒng)，起到節(jié)能降耗的作用。另外根據(jù)工藝包設(shè)計(jì)要求，開(kāi)工時(shí)需由裂解氣壓縮機(jī)1-3段提供該裝置的吹掃用空氣。故其結(jié)構(gòu)設(shè)置不同于傳統(tǒng)工藝技術(shù)，需要其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以滿(mǎn)足工藝和操作要求。

根據(jù)工藝計(jì)算，要滿(mǎn)足后續(xù)分離所需壓力要求，并從壓縮機(jī)設(shè)計(jì)角度看，裂解氣壓縮機(jī)需要設(shè)置為四段壓縮。為了便于說(shuō)明問(wèn)題，裂解氣壓縮機(jī)的正常工況下主要參數(shù)列于表1中。

由表1可以看出，裂解氣壓縮機(jī)1至3段為常溫段，而第4段則為低溫段。對(duì)于空氣吹掃工況來(lái)說(shuō)，吹掃空氣壓力應(yīng)在0.85M Pa(A)左右，系統(tǒng)吹掃溫度不高于65℃。分析可知：只需1-3段壓縮空氣即可滿(mǎn)足吹掃要求，與工藝包要求一致。此外，由圖1可以看出裂解氣壓縮機(jī)第四段位于脫丙烷塔頂，介質(zhì)清潔度較高，因此就存在壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如何布置及第四段在空氣吹掃工況時(shí)如何運(yùn)行的問(wèn)題。

表1.裂解氣壓縮機(jī)正常工況時(shí)的主要參數(shù)

二、裂解氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)討論

根據(jù)工藝要求和操作性要求，在此將對(duì)各種可能性結(jié)構(gòu)配置方案進(jìn)行分析對(duì)比，以找出最優(yōu)化結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足各方面要求。

1.四段兩缸結(jié)構(gòu)

裂解氣壓縮機(jī)采用四段兩缸結(jié)構(gòu)時(shí)，壓縮機(jī)配備了高壓缸和低壓缸兩個(gè)缸體。但此配置又可以分為兩種配置方式：3+1和2+2方式。3+1即一、二和三段共用一個(gè)缸體，作為低壓缸，而第四段單獨(dú)用一個(gè)缸體，作為高壓缸。其布置方式為透平+低壓缸+高壓缸。2+2方式則為一段和二段共用一個(gè)缸體，作為低壓缸，而第三段和第四段共用一個(gè)缸體，作為高壓缸。其布置方式也為透平+低壓缸+高壓缸。兩種方式的示意圖如下：

圖2.四段二缸結(jié)構(gòu)布置圖

2.四段三缸結(jié)構(gòu)

當(dāng)裂解氣壓縮機(jī)采用四段三缸結(jié)構(gòu)時(shí)，壓縮機(jī)配備了高壓缸、中壓缸和低壓缸三個(gè)缸體。此配置采用2+1+1布置方式，但該布置又可以分為兩種形式：一段單獨(dú)使用一個(gè)缸體，作為低壓缸，二段和三段共用一個(gè)缸體，作為中壓缸，四段也單獨(dú)使用一個(gè)缸體，作為高壓缸；一段和二段共用一個(gè)缸體，作為低壓缸，三段和四段分別單獨(dú)使用一個(gè)缸體，分別作為中壓缸和高壓缸。但兩者布置方式相同，均為透平+中壓缸+低壓缸+高壓缸。其各示意圖如下：

圖3.四段三缸結(jié)構(gòu)布置圖

3.結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于 3+1方案，1，2和3段共用一個(gè)低壓缸，使得低壓缸體積比較龐大，占地面積大，成本高，運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)速較高，但是效率較低，運(yùn)行穩(wěn)定性較差，同時(shí)也會(huì)給運(yùn)輸和安裝帶來(lái)一定的困難。與其它方案相比，其它方案均優(yōu)于該方案。但是第4段單獨(dú)設(shè)置，可以滿(mǎn)足1，2，3段提供吹掃空氣的操作要求。

對(duì)于2+2方案，1、2和3、4段分別共用一個(gè)缸體，整體比較均勻，不會(huì)存在3+1方案里面低壓缸一頭過(guò)大的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)也比較緊湊，軸向推力較小，效率高，結(jié)構(gòu)較經(jīng)濟(jì)合理且能滿(mǎn)足A C O工藝要求，對(duì)于正常工況運(yùn)行非常有利。但是對(duì)于空氣吹掃和正常運(yùn)行工況來(lái)說(shuō)存在以下問(wèn)題：（1）高壓缸內(nèi)第三段組分雜質(zhì)含量高，第四段組分比較清潔，三四段同在一個(gè)缸內(nèi)設(shè)置，存在污染的問(wèn)題；（2）第四段是低溫段（-40℃），第三段是常溫段，如果兩段同在一個(gè)缸內(nèi)設(shè)置，材質(zhì)必須采用低溫鋼，價(jià)格昂貴；（3）設(shè)計(jì)制造較為復(fù)雜；（4）吹掃成本升高，無(wú)法滿(mǎn)足四段斷開(kāi)運(yùn)行的吹掃工藝要求。

對(duì)于兩種2+1+1方案而言，均把第四段單獨(dú)作為一個(gè)缸體，其最主要的區(qū)別就是中壓缸的分配問(wèn)題，即2段是并入低壓缸還是高壓缸的問(wèn)題。兩種布置方式均有利于消除軸向推力。但相比于將2段并入低壓缸來(lái)說(shuō)，將2段并入中壓缸，可以使各缸結(jié)構(gòu)更均勻，其原因是氣體在各段內(nèi)升壓并在段間冷凝時(shí)有部分氣體冷凝，體積逐步減少，2段和3段合并有助于降低低壓缸體積。從工藝和操作角度看，可以滿(mǎn)足前三段提供吹掃空氣的要求，也不存在泄漏而污染第四段的隱患。

從上述分析可以看出，單從工藝角度來(lái)說(shuō)，均可以滿(mǎn)足工藝要求。四個(gè)方案中，只有2+2方案沒(méi)有把第4段單獨(dú)作為一個(gè)缸體，存在工藝污染方面的風(fēng)險(xiǎn)，其它三個(gè)方案均把4段單獨(dú)設(shè)置，有利于保證物料的清潔度。但3+1方案的弊端是顯而易見(jiàn)的，結(jié)構(gòu)配置比較差。只有2+1+1方案即可以很好地滿(mǎn)足工藝要求，也可以滿(mǎn)足操作要求，優(yōu)勢(shì)很顯示。另外，在空氣吹掃過(guò)程中，只需前三段提供壓縮空氣，即可滿(mǎn)足需求。如果第四段同時(shí)也在運(yùn)行，則需要提供清潔的氮?dú)庾鳛閴嚎s介質(zhì)，這樣操作不僅增加了能耗，而且也增加了氮?dú)庀模瑥亩岣吡瞬僮髻M(fèi)用。因此需要有一種特殊設(shè)計(jì)，以便在吹掃階段可以把第四段拆除，只運(yùn)行前三段，以節(jié)能降耗。對(duì)于這樣的設(shè)置來(lái)說(shuō)，在第4段拆開(kāi)后，2段并入低壓缸可以平衡掉更多軸向推力，更有利于操作和設(shè)備安全。

結(jié)論

綜上所述，從工藝要求、操作要求、運(yùn)行性能和能耗方面對(duì)四種可能性方案進(jìn)行了分析研究，最終選定2+1+1（高壓缸(4段)低壓缸(1,2段) 中壓缸(3段)）方案為最優(yōu)方案，并且在空氣吹掃時(shí)，4段斷開(kāi)運(yùn)行，以降低成本。

[1]曲巖松,高春雨,楊秀霞,中國(guó)乙烯工業(yè)路在何方,9,9-14(2012).

[2]Li,J.H.,“Technical measures to inhibit coking of cracking gas compressor”,Journal of Chemical Industry ＆ Engineering,31(4),46-48(2010).