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1乙烯裝置冷區(qū)技術(shù)特點(diǎn)

1．1冷區(qū)工藝特點(diǎn)

乙烯裝置根據(jù)生產(chǎn)流程分為裂解爐系統(tǒng)、急冷系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、冷分離系統(tǒng)、熱分離系統(tǒng)及制冷系統(tǒng)。主要產(chǎn)品為聚合級(jí)乙烯和丙烯，主要副產(chǎn)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(qū)是工藝流程最復(fù)雜的部分，冷區(qū)包括裂解氣深冷及脫甲烷塔系統(tǒng)和碳二分離系統(tǒng)，還有與之密切關(guān)聯(lián)的二元制冷和丙烯制冷系統(tǒng)。冷區(qū)的介質(zhì)溫度低，兩相流管道多，工藝物流和冷劑在冷箱及單臺(tái)板翅式或管殼式換熱器、進(jìn)料分離罐、冷劑罐等設(shè)備之間來(lái)往，還有相對(duì)安裝高度及坡度等要求，也是主要產(chǎn)品乙烯和副產(chǎn)品氫氣、富甲烷氣(燃料)的產(chǎn)出部位。消耗冷量大，脫甲烷塔進(jìn)料(裂解氣)激冷和脫甲烷塔所需冷量占比例最大，占總冷負(fù)荷的50%以上，其次是碳二分離系統(tǒng)即乙烯精餾塔頂冷凝器和脫乙烷塔塔頂冷凝器，占總冷負(fù)荷的45%以上，順序流程的冷量負(fù)荷分配和按冷負(fù)荷分配的軸功率。深冷脫甲烷、氫氣純化:深冷分離出來(lái)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(guò)量的燃料氣將送入裝置外全廠燃料氣系統(tǒng)。采用低壓脫甲烷系統(tǒng)、兩段節(jié)流膨脹制氫和甲烷/乙烯混合二元制冷。粗氫經(jīng)過(guò)甲烷化反應(yīng)器脫除CO，然后干燥脫除甲烷化反應(yīng)生成的水，干燥后氫氣產(chǎn)品除用于裝置本身碳二、碳三加氫反應(yīng)器的需要外，多余氫氣產(chǎn)品也供其它用戶如汽油加氫單元，或送到裝置外氫氣管網(wǎng)，粗氫或純化后氫氣也可送燃料氣系統(tǒng)。

1．2冷區(qū)設(shè)備特點(diǎn)

深冷分離系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)中的熱交換設(shè)備除核心設(shè)備冷箱外，還有不少單臺(tái)換熱器，裝置規(guī)模大型化后，普通管殼式換熱器計(jì)算尺寸大，設(shè)備設(shè)計(jì)和制造困難，也不利于設(shè)備布置，因此對(duì)介質(zhì)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(gè)板翅式換熱器(板翅芯在罐內(nèi)(簡(jiǎn)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(shè)備尺寸，有利于設(shè)備布置。塔系統(tǒng)比較復(fù)雜，低溫操作，塔內(nèi)填料層或設(shè)備塔板層數(shù)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(jī)采用多段離心式壓縮機(jī)，以前采用丙烯、乙烯、甲烷單組分制冷系統(tǒng)，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(qū)工藝設(shè)計(jì)流程說(shuō)明

2．1裂解氣深冷脫甲烷、氫氣純化系統(tǒng)

裂解氣壓縮、干燥后進(jìn)入深冷分離系統(tǒng)，裂解氣用工藝物流和丙烯及二元冷劑漸進(jìn)激冷到－72℃后進(jìn)入脫甲烷塔第一進(jìn)料分離罐，凝液被分成兩股并經(jīng)自身?yè)Q熱后作為脫甲烷塔的第一和第二股進(jìn)料。來(lái)自脫甲烷塔第一進(jìn)料分離罐頂?shù)牧呀鈿庠诶湎渲杏眉淄槲矚夂投鋭┘だ涞剑?5℃。凝液在第二進(jìn)料分離罐中被分出并送往脫甲烷塔作為第三股進(jìn)料。來(lái)自第二進(jìn)料分離罐頂?shù)牧呀鈿庠诶湎渲杏脷錃夂图淄槲矚膺M(jìn)一步激冷到－130℃。凝液在第三進(jìn)料分離罐中被分出并送往脫甲烷塔作為第四股進(jìn)料。從第三進(jìn)料分離罐中分出的甲烷氫物料經(jīng)過(guò)兩級(jí)冷卻和閃蒸后得到富甲烷氣和氫氣產(chǎn)品。氫氣在冷箱中回收冷量后大部分進(jìn)入甲烷化系統(tǒng)以脫除一氧化碳，經(jīng)過(guò)干燥后送往乙炔、MAPD、汽油等加氫反應(yīng)器用戶，剩余的送往裝置外氫氣系統(tǒng)。分出的甲烷在冷箱中回收冷量后也送往燃料氣系統(tǒng)。脫甲烷塔頂分出甲烷氫尾氣進(jìn)入冷箱回收冷量，加熱到30℃后作為裝置內(nèi)干燥器、反應(yīng)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(tǒng)

脫甲烷塔塔釜液經(jīng)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(jìn)料，另一股經(jīng)裂解氣預(yù)熱后作為脫乙烷塔的下部進(jìn)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(tái)由低壓蒸汽提供熱量的備用再沸器以保證操作的連續(xù)性。脫乙烷塔塔頂凈產(chǎn)品進(jìn)入乙炔加氫反應(yīng)器系統(tǒng)，2臺(tái)乙炔轉(zhuǎn)化器，1開1備，每臺(tái)為3段床疊放，床層帶中間冷卻器。經(jīng)過(guò)3段床，乙炔被選擇加氫成乙烯和乙烷。乙炔轉(zhuǎn)化生成的綠油用來(lái)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(zhì)，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(huán)乙烷在進(jìn)入進(jìn)料處理系統(tǒng)之前經(jīng)裂解氣汽化和在冷箱中回收冷量。乙烯精餾塔產(chǎn)品輸出系統(tǒng)設(shè)有1套低溫乙烯產(chǎn)品板翅式換熱器。

2．3制冷系統(tǒng)

1)丙烯制冷。丙烯制冷系統(tǒng)是1個(gè)閉環(huán)4段系統(tǒng)，它使用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)。系統(tǒng)提供4級(jí)制冷:－40℃、－27℃、－3℃和13℃，冷卻水用來(lái)冷凝壓縮機(jī)的排出氣體，在排出口設(shè)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(tǒng)的每一級(jí)均設(shè)置吸入罐，用做各級(jí)用戶的緩沖和減少液體夾帶入壓縮機(jī)。

2)二元制冷。二元制冷系統(tǒng)用來(lái)提供－40℃到－135℃的制冷溫度，是一個(gè)二元組分(含微量氫氣)，恒定組成甲烷、乙烯的混合冷劑系統(tǒng)，它是一個(gè)閉環(huán)、三段系統(tǒng)，使用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)，替代了乙烯和甲烷制冷系統(tǒng)，可節(jié)省投資和占地。二元制冷壓縮機(jī)排出氣體首先經(jīng)冷卻水和高溫位的丙烯冷劑冷卻，后經(jīng)尾氣、－40℃丙烯制冷劑和其自身的二元制冷冷劑冷凝，各級(jí)二元制冷冷劑流股將裂解氣冷到設(shè)定的溫度。二元制冷系統(tǒng)的各段設(shè)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(qū)改造工藝介紹

深冷分離系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)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(lián)1套裂解氣深冷線，相應(yīng)二元制冷和丙烯制冷系統(tǒng)新增或改造設(shè)備以滿足新的冷負(fù)荷要求。新增設(shè)備位號(hào)后綴字母N，改造老設(shè)備位號(hào)后綴字母M，更換設(shè)備位號(hào)后綴字母R，成套設(shè)備如冷箱內(nèi)單個(gè)設(shè)備位號(hào)后綴加X，以便與原裝置設(shè)備位號(hào)區(qū)分。

3．1深冷分離及脫甲烷塔系統(tǒng)、二元制冷系統(tǒng)改造內(nèi)容

脫甲烷塔是乙烯裝置深冷分離的關(guān)鍵塔系，與冷箱及二元制冷系統(tǒng)密切相關(guān)，流程復(fù)雜，模擬計(jì)算難度大。對(duì)順序分離流程，直接關(guān)系到乙烯裝置的分離效果和能力，F(xiàn)REP乙烯脫瓶頸改造深冷分離系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，對(duì)原800kt/a乙烯裝置脫甲烷塔的老原料老負(fù)荷進(jìn)行流程模擬，隨后就新原料、新組成、新工況和新產(chǎn)能做了整體模擬和新老冷箱的負(fù)荷分配。在流程模擬計(jì)算中嘗試了很多方案，最終在新冷箱的流程設(shè)計(jì)中采取了大量?jī)?yōu)化措施，以確保實(shí)際操作過(guò)程中關(guān)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(tuán)供貨，故FREP委托杭氧集團(tuán)進(jìn)行改造冷箱能力分析。杭氧集團(tuán)對(duì)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(jìn)行核算和設(shè)計(jì)，得出結(jié)論:老大、小冷箱(PA30301、PA30302)可利舊，無(wú)需改造。新冷箱(PA30301N)和3臺(tái)新增板翅換熱器提供工藝數(shù)據(jù)和技術(shù)要求由杭氧集團(tuán)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。新增裂解氣深冷系統(tǒng)與原有裂解氣系統(tǒng)流程基本相同，但在局部做了優(yōu)化調(diào)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(chǎn)品減負(fù)荷，故新冷箱的流道設(shè)計(jì)與老冷箱有區(qū)別。新冷箱的二元冷劑流道設(shè)置大部分與老冷箱相似，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)新的裂解氣深冷需要冷量和二元制冷系統(tǒng)改造要求進(jìn)行匹配，新增二元冷劑脫不凝氣罐(D55555NX，放在新冷箱內(nèi))。新冷箱內(nèi)冷凝的二元冷劑進(jìn)入原二元冷劑液體收集罐(D55554)。新老冷箱系統(tǒng)來(lái)的二元冷劑分別進(jìn)入二元制冷系統(tǒng)的各段吸入罐，因新冷箱中二元冷劑用戶進(jìn)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(shè)備:1套冷箱、3臺(tái)脫甲烷塔進(jìn)料分離罐、2臺(tái)甲烷/氫分離罐及6臺(tái)的換熱器。新冷箱(PA30301N)含12個(gè)位號(hào)的板翅，2臺(tái)新甲烷/氫分離罐(D30304NX、D30305NX)和1臺(tái)二元冷劑罐(D55555NX)移進(jìn)新冷箱內(nèi)，這3臺(tái)罐操作溫度低于－140℃、尺寸較小，移進(jìn)冷箱內(nèi)有利于新增冷箱和深冷分離相關(guān)設(shè)備的布置和減少冷損。與新增裂解氣深冷系統(tǒng)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(tǒng)

碳二分離系統(tǒng)有脫乙烷塔、C2加氫反應(yīng)器、干燥器和乙烯精餾塔(C40402M)，碳二分離系統(tǒng)的工藝流程如圖5所示。碳二分離系統(tǒng)所消耗的丙烯冷劑量最大，是丙烯制冷系統(tǒng)的主要冷劑用戶，同時(shí)關(guān)系著乙烯產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，是裝置性能考核的主要指標(biāo)。1)脫乙烷塔改造。脫乙烷塔(C40401)原設(shè)計(jì)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(tái)急冷水再沸器(E40401N)，回流泵更換(P40401AR/BR)，回流罐改造內(nèi)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(jīng)過(guò)加氫后碳二物流進(jìn)入乙烯精餾塔。乙烯精餾塔是裝置的關(guān)鍵產(chǎn)品塔，塔板數(shù)多，塔徑大，也是丙烯制冷系統(tǒng)的主要冷劑用戶，因此需要綜合考慮擴(kuò)大塔的生產(chǎn)能力、分離效果滿足產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，還要考慮其對(duì)能耗的影響。原設(shè)計(jì)采用162塊浮閥塔板，根據(jù)塔內(nèi)件廠家意見，塔殼體利舊，將162塊浮閥塔板一對(duì)一全部更換為155塊MD塔板，乙烯精餾塔因進(jìn)料、抽出產(chǎn)品的需要，塔板數(shù)減少7塊。

4結(jié)論

4．1國(guó)產(chǎn)化乙烯工藝設(shè)計(jì)技術(shù)成熟可靠和進(jìn)一步發(fā)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(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)，圓滿完成了乙烯裝置脫瓶頸改造項(xiàng)目任務(wù)。此次FREP乙烯裝置改造歷時(shí)短，見效快，說(shuō)明國(guó)內(nèi)特大型乙烯裝置的工藝技術(shù)、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、施工安裝、操作運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和能力已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)同規(guī)模乙烯裝置的改造積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并為今后百萬(wàn)噸型乙烯裝置的新建或改造工程奠定了良好的基礎(chǔ)。

4．2設(shè)備及設(shè)備內(nèi)件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化

使用經(jīng)驗(yàn)證明，無(wú)論是新增或更換設(shè)備及改造設(shè)備內(nèi)件均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，尤其是冷箱及板翅式換熱器、塔內(nèi)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(jìn)度有保證，而且開車后工藝性能優(yōu)良，對(duì)乙烯裝置的產(chǎn)能達(dá)到改造目標(biāo)起到了關(guān)鍵作用。改造采用國(guó)產(chǎn)催化劑和干燥劑，性能完全滿足工藝要求，價(jià)格和供貨周期比進(jìn)口催化劑和干燥劑有較大優(yōu)勢(shì)，也為乙烯裝置的技術(shù)國(guó)產(chǎn)化提供有力支持。

作者:雷正香單位:中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司