乙烯裝置冷箱工藝技術(shù)提升措施

白宇辰，郭雪華，寧 靜

（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

冷箱是乙烯裝置深冷分離單元的關(guān)鍵核心設(shè)備，脫甲烷塔系統(tǒng)（包括原料預(yù)冷和脫甲烷塔）進(jìn)行組分分離所需的低溫冷量主要由板翅式換熱器所組成的冷箱實(shí)現(xiàn)。裂解氣與乙烯冷劑、丙烯冷劑等物流在此箱體內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜、有相變的熱交換，實(shí)現(xiàn)將裂解氣中的不同組分進(jìn)行低溫分離的目的。冷箱具有傳熱系數(shù)高、單位體積傳熱面積大、傳熱溫差小的特點(diǎn)。此外，冷箱采用集中保冷的方式，冷損較小[1]，是一種高效強(qiáng)化傳熱的設(shè)備。

乙烯裝置采用不同的分離工藝流程，冷箱配置也不盡相同。從碳原子的先后分離次序來說，乙烯分離技術(shù)主要有順序分離流程、前脫乙烷前加氫分離流程和前脫丙烷前加氫分離流程。其中，順序分離流程和前脫丙烷分離流程適用于石腦油、輕柴油、加氫尾油等液相原料為主的乙烯裝置，前脫乙烷分離流程適用于乙烷、丙烷等氣相原料為主的乙烯裝置。

圖1 為某前脫丙烷前加氫分離流程。在該工藝技術(shù)中，裂解氣的深冷分離系統(tǒng)采用C3洗滌塔、C2洗滌塔、冷箱、預(yù)脫甲烷塔和脫甲烷塔，通過合理布置形成新的流程。在深冷分離系統(tǒng)中，物料得到合理分配，減少冷量消耗的同時減少了乙烯的損失。

圖1 前脫丙烷前加氫分離流程

乙烯裝置中，冷箱的工作溫度一般為-170℃～40℃，設(shè)計(jì)壓力為4.5 ～5.0 MPa。冷箱的核心部件是安裝在其中的多組鋁制板翅式換熱器，冷箱用一個不銹鋼制的保冷殼體將多臺串、并聯(lián)的板翅式換熱器及必要的氣液分離罐和連接管路包裝起來，不銹鋼制的箱體和上述設(shè)備的空間中填滿膨脹珍珠巖（珠光砂）等絕熱材料以減少冷量的損失[2]。

冷箱具有集約化程度高、制冷效率高、占地少和便于自動化管理等優(yōu)勢，是乙烯低溫分離系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)性選擇，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。目前我國乙烯冷箱的設(shè)計(jì)、制造已全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但是由于冷箱苛刻的設(shè)計(jì)條件（低溫、高壓），如何保證其長壽命運(yùn)行成為亟待研究解決的問題。

1 冷箱在乙烯裝置生產(chǎn)操作中存在的問題

通過現(xiàn)場調(diào)研，國內(nèi)乙烯裝置的冷箱在運(yùn)行過程中主要存在以下幾個工藝方面的問題（見表1）。

表1 國內(nèi)乙烯裝置冷箱操作和運(yùn)行維護(hù)問題

冷箱堵塞現(xiàn)象是目前國內(nèi)外乙烯裝置遇到的共性問題。冷箱發(fā)生堵塞后，被堵塞通道的壓差逐漸增大，造成冷箱各個流道的流通能力不斷下降，換熱效果變差，最終導(dǎo)致冷箱和脫甲烷塔等冷分離單元設(shè)備溫度升高，氫氣純度下降、氫氣回收率降低、乙烯損失增大，嚴(yán)重時可能會造成深冷分離單元全面停車，進(jìn)而影響乙烯裝置長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]，因此冷箱的安全設(shè)計(jì)和工藝操作需要引起足夠的重視。一般認(rèn)為，造成冷箱堵塞的主要原因包括以下4個方面[4]：

1）水及水合物凍堵。裂解氣在冷箱內(nèi)逐漸降溫，當(dāng)溫度低于經(jīng)過干燥的裂解氣露點(diǎn)溫度后，水分發(fā)生冷凝。此外，深冷系統(tǒng)一般處于高壓、低溫的操作環(huán)境，若有水存在，水分會與部分烴類生成烴水合物結(jié)晶體，經(jīng)過長期積累，容易造成凍堵。

2）工藝物料發(fā)生凍堵。裂解氣中含有重組分（如苯）及凝固點(diǎn)溫度較高的物質(zhì)（如CO2），隨著裂解氣預(yù)冷過程中溫度的不斷下降而逐漸析出并附著在冷箱的流道內(nèi)，容易造成凍堵。

3）再生氣中夾帶乙烯造成堵塞。干燥器的再生過程溫度較高，烯烴容易在干燥器內(nèi)發(fā)生結(jié)焦、生碳等現(xiàn)象。當(dāng)干燥器切換為正常吸附水分的操作時，這些細(xì)微碳粉會跟隨干燥后的裂解氣進(jìn)入冷箱流道，造成堵塞。

4）干燥器裝填的干燥劑（如3A 分子篩）發(fā)生粉化現(xiàn)象，粉塵被裂解氣帶入冷箱，造成設(shè)備堵塞。

2 冷箱在工藝設(shè)計(jì)技術(shù)方面的問題分析

2.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

大型乙烯裝置用冷箱在工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳熱設(shè)計(jì)方面，主要存在以下2個方面的難點(diǎn)：

1）多股流、多組分、有相變的復(fù)雜傳熱計(jì)算。乙烯裝置原料經(jīng)過裂解爐裂解、凈化除雜后進(jìn)入冷箱，流股組分多達(dá)10種，有的單個換熱器芯體流股數(shù)可達(dá)15 股或以上。為了將裂解氣逐級冷凝分離，所需的冷量主要由兩相流冷劑提供（如乙烯、丙烯等）。由于流股多、組分復(fù)雜、換熱有相變，導(dǎo)致?lián)Q熱情況復(fù)雜，增加了換熱器傳熱設(shè)計(jì)的難度。

2）多臺換熱器串、并聯(lián)流體均布研究。裝置規(guī)模大型化后，需要的換熱器尺寸增加，而受限于設(shè)備制造的實(shí)際能力，換熱器大多采用多臺串、并聯(lián)的工藝設(shè)計(jì)手段。但如何保證各股流型不一的流體在進(jìn)入串、并聯(lián)的各個換熱器時，其流量能控制在一定的誤差范圍內(nèi)，即流體能均勻地流入各個通道，成為乙烯裝置冷箱大型化后日益突出的問題。目前，多臺換熱器串、并聯(lián)的方式可以使工藝各股流體在冷箱內(nèi)的阻力降盡可能均勻分配在換熱器內(nèi)，同時調(diào)整換熱器的實(shí)際配管方式，根據(jù)換熱器流道的流動性試驗(yàn)對換熱器機(jī)組進(jìn)行搭配，使阻力降得到均勻分配。

2.2 重點(diǎn)關(guān)注的問題

冷箱的工藝設(shè)計(jì)主要包括板翅式換熱器的傳熱計(jì)算、水力學(xué)計(jì)算和工藝管道的水力學(xué)計(jì)算。從裝置實(shí)際運(yùn)行與工藝設(shè)計(jì)之間的偏差來看，需要重點(diǎn)關(guān)注以下4個方面的問題：

1）制造商對乙烯裝置工藝的整體把握需要進(jìn)一步提升。如，乙烯裝置的原料來源復(fù)雜，導(dǎo)致裂解氣的組分隨之發(fā)生變化。同時，乙烯裝置中與冷箱及板翅式換熱器相關(guān)聯(lián)的外圍設(shè)備較多，當(dāng)其他設(shè)備失效時，需要通過替代手段來保證冷箱的正常運(yùn)行或降負(fù)荷運(yùn)行。因此，一臺設(shè)備需要能夠滿足多工況的要求，且某些流道中的流體在不同工況下存在負(fù)荷差異較大的情況。

目前，大型乙烯裝置普遍采用多工況設(shè)計(jì)，使原本不具備調(diào)節(jié)功能的冷箱能夠適應(yīng)多種設(shè)計(jì)工況，為不同需求的下游用戶提供一定的彈性操作空間。

對于單相態(tài)流體，換熱器的性能足以滿足市場需求，但是對于氣液兩相的冷流體，則可能存在問題。如，不同工況下，冷流體流量差異較大。換熱器傳熱計(jì)算邊界條件的假設(shè)前提之一是假定換熱器中流體均勻分布且流動。如果換熱器設(shè)計(jì)的流道流通截面以大負(fù)荷工況為基準(zhǔn)，則在小流量時會存在流速過小導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)氣液夾帶；如果以小流量工況為準(zhǔn)，則存在大流量時流道的阻力降較大。因此，在流量差異很大的情況下，需要解決換熱器設(shè)計(jì)問題，以使其盡可能保證在不同工況下都可以滿足設(shè)計(jì)要求。同時，工藝設(shè)計(jì)中需要考慮換熱器設(shè)計(jì)的反饋信息，如適當(dāng)增加大流量工況下流道的阻力損失。

2）重視設(shè)計(jì)裕量的控制。設(shè)計(jì)裕量過大，會增加冷箱的制造成本；設(shè)計(jì)裕量過小，則無法應(yīng)對生產(chǎn)操作過程中的波動，不能完全確保工藝性能。

3）板翅式換熱器、冷箱設(shè)計(jì)的動態(tài)模擬需進(jìn)一步完善。根據(jù)流體力學(xué)原理，對換熱器內(nèi)部及不同換熱器間的阻力降進(jìn)行精確模擬，盡量做到各換熱器單元、各流體進(jìn)出口接管間的壓力損失相等，保證流體的均勻分配?？蓪φ诓僮鬟\(yùn)行中的冷箱進(jìn)行測量驗(yàn)證，為換熱器的流動性能設(shè)計(jì)提供實(shí)際依據(jù)，做到理論和實(shí)際相結(jié)合。

4）冷箱的工藝設(shè)計(jì)尚不存在統(tǒng)一成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，專利商缺乏有效的綜合性能評價理論，目前基本依據(jù)制造廠制造和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。因此在裝置應(yīng)用中存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、換熱效率與設(shè)計(jì)操作之間誤差較大的情況。

3 冷箱在工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的建議措施

1）合理控制板翅式換熱器的最小傳熱溫差。原則上最小傳熱溫差不宜小于3.0℃，特殊情況下不建議低于2.5℃。過小的端部溫差會導(dǎo)致傳熱動力下降，板翅式換熱器所要求的換熱面積明顯增加；同時，端部溫差設(shè)計(jì)值過小會降低各個流道換熱的容錯空間，導(dǎo)致冷箱內(nèi)流體在實(shí)際操作中難以達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的換熱效果。

2）冷箱內(nèi)的傳熱和總壓降要求苛刻，翅片和導(dǎo)流片尺寸需要特殊設(shè)計(jì)。需要開發(fā)新型換熱器翅片以提高換熱效率，增加高效翅片、混合翅片的應(yīng)用，降低介質(zhì)阻力降，減小設(shè)備尺寸或增加檢修空間。如，通過研究翅片高度、節(jié)距、厚度對換熱器的傳熱效果和阻力降的影響，開發(fā)具有高強(qiáng)度、高密度、高傳熱因子和低摩擦因子等多種特性的換熱器翅片。通過對翅片性能曲線和設(shè)計(jì)壓力的實(shí)驗(yàn)，研究熱力性能和加工工藝，進(jìn)一步降低換熱器體積、重量和流動阻力，以滿足大型乙烯冷箱高可靠性的要求。同時需要認(rèn)真分析冷箱內(nèi)各流股的狀態(tài)，對不同流股進(jìn)行綜合考慮，保證冷箱傳熱設(shè)計(jì)的合理化。

3）優(yōu)化冷箱內(nèi)的流股設(shè)計(jì)，在堅(jiān)持集約原則的前提下，控制冷、熱流體的流股數(shù)量。板翅式換熱器的進(jìn)出流體股數(shù)越多，雖然會更加集成和高效，但是過多的流股數(shù)量也會對傳熱設(shè)計(jì)提出更高要求。如果某股工藝物流的溫度和設(shè)計(jì)值有偏差，將會給其他流股工藝物流的換熱帶來一定影響，增加冷箱出現(xiàn)系統(tǒng)性風(fēng)險的概率。

4）提高對乙烯裝置各種工況的兼容程度。冷分離區(qū)是乙烯裝置的關(guān)鍵單元，而冷箱則是該單元的核心設(shè)備。冷箱的設(shè)計(jì)不僅要滿足裝置的各種正常操作工況，還應(yīng)滿足最大負(fù)荷能力以及開、停工等特殊工況的要求。

5）提高有相變流體物性模擬的準(zhǔn)確度。當(dāng)流股中存在氣液兩相時，對流道的傳熱負(fù)荷計(jì)算及設(shè)計(jì)、流程模擬中的焓曲線提出了更高要求。

6）提高板翅式換熱器所在系統(tǒng)的熱虹吸計(jì)算的準(zhǔn)確度。板翅式換熱器及所在塔器、熱虹吸罐、連接管路的熱虹吸水力學(xué)計(jì)算的準(zhǔn)確性，對板翅式換熱器工藝傳熱性能的實(shí)現(xiàn)有直接影響。在工藝設(shè)計(jì)和傳熱設(shè)計(jì)時需要貫徹系統(tǒng)工程的思路，明確系統(tǒng)優(yōu)化的原則。

7）冷箱及板翅式換熱器應(yīng)要求流體清潔、干燥，且對鋁不應(yīng)產(chǎn)生腐蝕。需要注意在特殊情況下，汞會腐蝕鋁。換熱器入口需設(shè)置過濾器及旁路系統(tǒng)，以方便過濾器下線和清洗[5]。適當(dāng)提高過濾器的過濾精度，降低冷箱及板翅式換熱器發(fā)生堵塞的概率。在重要的設(shè)備單元，應(yīng)設(shè)置雙過濾器以及前后切斷閥、密閉排放的管線等，以保證乙烯裝置在各種工況下都可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免造成非計(jì)劃停車。

8）NOx在冷箱內(nèi)會凝固為“藍(lán)冰”，造成設(shè)備堵塞。當(dāng)冷箱復(fù)熱導(dǎo)致單烯烴或二烯烴進(jìn)入后，會與不飽和烴發(fā)生反應(yīng)生成硝基塑膠，尤其是與重質(zhì)二烯烴反應(yīng)生成的硝基塑膠，穩(wěn)定性極差，在低溫下能迅速分解爆炸，引發(fā)安全生產(chǎn)事故[6]。因此，需要對冷箱中容易積累NOx的部位進(jìn)行具體分析，并制定詳細(xì)的清洗方案，以防止生產(chǎn)過程中發(fā)生NOx在低溫條件下存積并反應(yīng)，杜絕發(fā)生安全事故的可能[7]。

9）嚴(yán)格工藝操作，使進(jìn)入深冷分離的裂解氣組分滿足工藝設(shè)計(jì)要求。如，控制堿洗操作的效果和洗苯塔的洗滌效果、控制乙烯在燃料氣中的損失以及降低分子篩等粉末帶入系統(tǒng)的可能性。

10）在任何時候，低壓板翅式換熱器不同通道之間的溫差都應(yīng)不大于50℃，中高壓換熱器不同通道之間的溫差應(yīng)不大于25 ～30℃，建議開車時控制裂解氣和乙烯的溫差不超過30℃。開車時盡量使冷熱物流同時導(dǎo)入，使設(shè)備溫度緩慢下降，一般要求板翅式換熱器溫度下降速率小于0.5℃/分，實(shí)際操作時不可超過1.0℃/分，待設(shè)備溫度緩慢下降后再導(dǎo)入冷劑。同時，開車階段深冷系統(tǒng)的露點(diǎn)需滿足工藝要求，可以根據(jù)裝置的實(shí)際需要對法蘭螺栓進(jìn)行冷把緊操作，以避免冷箱在逐漸降溫的過程中發(fā)生烴類物料泄漏，引發(fā)安全風(fēng)險。

綜上，在冷箱制造質(zhì)量和技術(shù)提升的基礎(chǔ)上，有必要通過進(jìn)一步的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)冷箱這一關(guān)鍵核心設(shè)備在工藝性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面的全面優(yōu)化。這將為乙烯裝置冷箱核心技術(shù)的國產(chǎn)化科研攻關(guān)創(chuàng)造條件，依托擬建或在建的工程建設(shè)項(xiàng)目逐步實(shí)現(xiàn)冷箱的大型化制造，為推動石化產(chǎn)業(yè)發(fā)展再上新臺階作出貢獻(xiàn)。