压缩机的三元制冷流程与使用

　　乙烯装置传统的制冷方式是采用乙烯、丙烯、甲烷等冷剂的单组分制冷。由于甲烷、乙烯的临界温度低于冷却水温度，所以需要采用复迭制冷。三元制冷是将甲烷、乙烯、丙烯3种冷剂按一定的比例混合（齐鲁乙烯装置三元冷剂的设计组成物质的量分数：0.11%氢气，8.99%甲烷，8.30%乙烯，82.6%丙烯）。在一台制冷压缩机中压缩，压缩后的混合冷剂先由冷却水部分冷凝，冷凝液作为重冷剂（HTR），相当于传统制冷方式中的丙烯冷剂，为未冷凝的气相冷剂和工艺物料提供较高温度级别的冷剂，未被冷凝的气相由重冷剂部分冷凝，冷凝液为中间冷剂（MTR），向系统和工艺物料提供冷量，气相再由中间冷剂全部冷凝，提供轻冷剂（LTR），这样由一台压缩机就可完成传统的三台压缩机的作用。

　　1三元制冷流程三元制冷压缩机是一台带有段间冷却的三段离心式压缩机。三元制冷压缩机一段吸入罐的压力控制着蒸汽透平的转速来维持设定压力。三段出口的两个返回控制压缩机的*小流量，避免喘振。压缩机排出气体为2.89 MPa、75℃，在出口冷凝器中被冷却水激冷并部分冷凝至39℃，部分冷凝的物流进入重冷剂收集罐。气液分离为罐顶的气相和罐底的重冷剂，重冷剂向3个去向提供冷剂：（1）低压脱丙烷塔塔顶冷凝器以冷凝部分塔顶气相；（2）冷凝重冷剂收集罐部分罐顶气相；（3）经乙烯精馏塔再沸器、中沸器、低压乙烯产品汽化器过冷后冷凝乙烯精馏塔塔顶气相。重冷剂罐的液位通过控制压缩机去出口冷凝器的冷却水量实现。

　　通过调整重冷剂量使重冷剂收集罐的顶部气相部分冷凝，温度24℃，然后送至中间冷剂收集罐，进行气液分离，顶部气相为轻冷剂，罐底液相为中

　　间冷剂。中间冷剂进一步经No.1三元冷剂激冷器、No.2三元冷剂激冷器、No.3三元冷剂激冷器被过冷至－72℃，这股物流被闪蒸至压缩机一段吸入罐压力后向裂解气提供冷量。

　　罐顶的轻冷剂进一步在No.1三元冷剂激冷器、No.2三元冷剂激冷器中部分冷凝，并在No.6三元冷剂激冷器中全部冷凝，被冷凝的物流送至轻冷剂收集罐，罐底的液体分为两路：（1）作为自身冷剂去冷凝轻冷剂；（2）经No.5三元冷剂激冷器过冷至－136℃，送至三元冷剂返回罐。

　　三元冷剂返回罐的液体闪蒸至一段吸入罐的压力后：（1）为No.2脱甲烷塔塔顶冷凝器提供－142℃冷剂，冷凝部分脱甲烷塔塔顶气相；（2）将裂解气在No.4三元冷剂激冷器和No.5三元冷剂激冷器中由－72℃激冷至－130℃。

　　2三元制冷技术的优缺点三元制冷技术较传统的单组分、复迭制冷技术有以下优点。（1）节省设备布置面积、降低投资。

　　一套三元制冷系统可以提供传统的丙烯制冷、乙烯制冷、甲烷制冷三套系统所能提供的冷剂，减少了设备台数，减少了占地空间，使设备投资有所降低，特别适用于装置改造。（2）能量利用效率高。三元冷剂供冷的裂解气冷却过程的物流冷却曲线是连续平滑的，而单组分冷剂供冷曲线则是非连续跃式的，换热器中物料与冷剂的平均换热温差较大，传热过程的不可逆性较大，能量利用率不高，而混合冷剂的气化曲线与物料的冷凝曲线相似，减小了平均换热温差，提高了能量利用效率。三元制冷技术也有其缺点，主要是系统稳定所需时间较长，如系统开车后需要24 h以上的时间进行冷剂配比调整，如果开车前系统冷剂配比出现较大偏离，则调整时间需要更长，一旦调整到位则系统运行比较稳定，操作灵活。

　　3三元制冷对二元制冷技术的改进Lummus公司在开发三元制冷技术前成功将二元制冷技术应用于乙烯装置，在设计三元制冷系统时，吸取了前期二元制冷运行过程中的经验，进行了以下改进：（1）增加了段间冷却器，避免了因压缩比较高引起的出口温度易超高的现象发生；（2）增加了较大容积的排液罐和冷剂返回泵，在压缩机吸入罐带液时可及时将液体排入排液罐，再由返回泵送入重冷剂收集罐，即避免了吸入罐高液位连锁停车事故的发生，又保证了系统冷剂组分的稳定。

　　系统运行表明：采取两项措施是成功的，该系统未发生过任何意外停车事故。

　　4试运行中出现的问题、原因分析及改进措施4.1开车方式的选择工艺包供应商ABB Lummus公司提供的开车程序有两种：（1）丙烯开车。即系统接丙烯冷剂后开车，再逐步向系统中补充乙烯和甲烷；（2）丙烯-乙烯开车。系统按10%乙烯、90%丙烯比例接乙烯和丙烯冷剂后开车，开车后再向系统补充甲烷。丙烯开车的优点是乙烯冷剂的比例容易控制，避免过量的乙烯带来的麻烦，其缺点是在控制温度下出口压力低，容易造成返回量不足，不易控制，有喘振的危险。丙烯-乙烯开车的优缺点与丙烯开车正好相反，乙烯冷剂的比例不易控制，而出口压力高利于操作。齐鲁乙烯装置三元制冷系统在运行18个月内共进行了两次物料开车。2004年10月初次开车；2006年4月，系统倒空重新干燥后接物料开车。两次开车均采用丙烯-乙烯开车，初次开车时由气相乙烯充压至1.5 MPa，然后充填丙烯开车，开车后发现乙烯比例高于设计值，为此进行了部分乙烯排放和丙烯补充，基本稳定后向系统填充气相甲烷至需要量。第二次开车：系统甲烷压力0.05 MPa，乙烯充压至1.3 MPa，然后接丙烯开车，开车后发现乙烯含量超高，丙烯、甲烷不足，对系统进行了48 h的冷剂配比调整，调整后系统正常。

　　4.2接丙烯流程的修改原设计中接受液相丙烯进重冷剂收集罐，压缩机设计排出压力2.89 MPa，聚合级丙烯泵排出压力3.29 MPa，由于压差小，致使系统接受液相丙烯困难，而接气相丙烯速度较慢，为此系统开车后对接丙烯流程进行了修改：将接丙烯流程改至进冷剂排放罐，再由冷剂回收泵输送至重冷剂收集罐，实现接丙烯操作。

　　4.3补充加热用气相冷剂注不进去原设计中，考虑在开车时，三元冷箱系统未进料，乙烯精馏塔全回流运转时，其热源只有三元冷剂，而三元冷剂为乙烯精馏塔所提供的显热加热与其提供的潜热冷凝不匹配，出现加热量不足的工况，在冷剂进乙烯精馏塔再沸器前设置了气相冷剂注入线，以提供不足部分热量（设计乙烯精馏塔全回流工况液相冷剂21.67 t/h，气相冷剂52.545 t/h）。在开车过程中发现气相冷剂有时注不进去，乙烯精馏塔系统无法维持运行，分析原因为现场该管线的配管不合理，该线中会积存大量液相冷剂造成液封。

　　开车过程中，采用了跨越该步骤的做法，开车时首先进行三元冷箱裂解气进料，此时裂解气即为乙烯精馏塔提供加热，然后进行乙烯精馏塔全回流运转，根据乙烯精馏塔状况调节三元冷箱系统的裂解气进料，维持乙烯精馏塔的全回流运转，从而避开了向系统供气相冷剂的过程。

　　4.4轻冷剂节流后管道压力高，制冷效果差开车过程中，作者等按Lummus公司提供的设计数据进行操作，三元冷箱负荷按90%进行操作。

　　发现三元冷箱和No.2脱甲烷塔回流罐的温度分别为－106℃（设计－129℃）和－121℃（设计－132℃），均高于设计温度。对于三元制冷系统，三元冷剂的组分略轻于设计组分。No.2脱甲烷塔塔顶冷凝器入口轻冷剂的温度是－131℃，比设计温度高11℃。怀疑No.2脱甲烷塔塔顶冷凝器和三元冷箱入口的轻冷剂较高压力导致这两个换热器中的热传递问题，于是测量从No.2脱甲烷塔塔顶冷凝器入口到一段吸入罐的轻冷剂管线上的压力，发现比设计压力约高0.043 MPa.测量数据见表1，Lummus公司用装置现有的三元制冷物流组分和操作压力所做的模拟结果的温度约为－131℃，与装置数据非常接近。基于以上运行状况，采取了以下措施以求尽量降低三元冷箱温度、No.2脱甲烷塔塔顶温度和甲烷中的乙烯损失。

　　4.4.1提高轻冷剂用量为弥补背压高、制冷效果差带来的影响，逐步增大轻冷剂用量，由设计的19 t/h，提高至30 t/h，由于三元冷箱前系统裂解气温度过低，相应减少中间冷剂用量。

　　4.4.2降低压缩机吸入压力将压缩机吸入压力由设计的0.022 MPa降低至0.016MPa，以求*大可能地降低轻冷剂节流后的压力。

　　4.4.3改变冷剂配比与Lummus公司讨论，并征得压缩机厂家的同意，逐步增加冷剂中的甲烷比例，*终由设计的8.99%（mol），提高至17%（mol），结果较为理想。三元冷箱温度降至－130℃（约降低了24℃），No.2脱甲烷塔回流罐温度降至－127℃（约降低了6℃），由于组分变轻，压缩机出口压力升高到3.1 MPa.

　　4.4.4增加跨线通过增加跨线，由No.1脱甲烷塔回流罐引部分液体甲烷至No.2脱甲烷塔回流罐，弥补回流的不足，也就是由甲烷制冷替代部分三元冷剂冷量。

　　通过以上措施，减少了乙烯的损失，100%负荷下操作状况。

　　2006年4月对系统重新干燥、清理过滤网，以消除冻堵和杂物堵塞的可能性，开车后该流路压差仍然偏高，轻冷剂节流后的温度仍达不到设计值，仍需要靠增加轻冷剂用量和改变三元冷剂配比来弥补造成的影响。

　　4.5丙烯中的微量水使系统冻堵装置运行一个月后，三元冷剂返回罐出现液位低，甚至空罐，轻冷剂量明显不足，该流路三元冷箱的流道内，压差高达1.7 MPa（设计为0.02 MPa），只好由轻冷剂收集罐的“UC”备用口至三元冷剂返回罐的“UC”备用口增加跨线，使系统维持运行。在此后的17个月运行过程中，运行状况逐渐变差，至2006年3月份时No.2脱甲烷塔冷凝器入口冷剂温度上升至－121℃，No.2脱甲烷塔顶温度也升高至－117℃。分析原因认为：三元制冷工艺在设计时未考虑丙烯中的水含量较高的问题（聚合级丙烯中水的物质的量分数约为0.000 2%，丙烯占三元冷剂物质的量分数的82.6%），由于系统*低温度可达到－130℃以下，且系统是封闭的，丙烯所带的水分会冻堵在低温管线中，造成流道变窄，压差升高，而且运行过程中丙烯的补充会使水分越来越多，系统运行状况逐渐变差。

　　为此，于2006年4月对该系统进行了倒空、重新干燥，同时在补充丙烯线上增设了一台干燥器，装填干燥剂体积为0.5 m 3，使所有进系统的丙烯含水量小于0.000 1%物质的量分数。系统重新开车后，增加的所有跨线关闭，在设计的120%的负荷下，各主要温度接近设计值，高压甲烷中乙烯物质的量分数小于0.02%，远远低于设计值0.17%.系统运行状况。

　　5系统需进一步处理的问题（1）由于为乙烯精馏塔提供热源的气相冷剂注入不畅，影响了系统顺利开车，在2006年4月的开车处理过程中，由于时间紧未进行处理，在装置下一次检修时应作如下处理：一方面修改该管线的配

　　另一方面液相冷剂进入乙烯精馏塔再沸器之前增加蝶阀，可以调节液相冷剂管道的压差，从而使气相注入点的压力降低，增加控制手段。

　　（2）轻冷剂流道压差高的问题仍未彻底解决；三元冷箱系统温度分布仍然不合理，须进一步从设计和制造中查找原因。

　　6结论（1）与二元制冷比较，该系统设计时采取了部分优化措施，大大提高了系统运行的弹性、灵活度和稳定性。

　　（2）该系统原设计未考虑丙烯中所携带的水分导致系统冻堵的问题。今后在丙烯中水含量较高的装置中应增加干燥器。

　　（3）三元制冷技术在乙烯装置首次应用，出现了部分问题，经采取措施后，系统运行状况良好，主要控制指标达到了设计要求。