乙烯装置冷区工艺设计论文

1乙烯装置冷区技术特点

1．1冷区工艺特点

乙烯装置根据生产流程分为裂解炉系统、急冷系统、压缩系统、冷分离系统、热分离系统及制冷系统。主要产品为聚合级乙烯和丙烯，主要副产品为富甲烷气、混合碳四、粗裂解汽油和裂解燃料油。采用顺序分离流程的乙烯装置中，冷分离回收部分即冷区是工艺流程最复杂的部分，冷区包括裂解气深冷及脱甲烷塔系统和碳二分离系统，还有与之密切关联的二元制冷和丙烯制冷系统。冷区的介质温度低，两相流管道多，工艺物流和冷剂在冷箱及单台板翅式或管壳式换热器、进料分离罐、冷剂罐等设备之间来往，还有相对安装高度及坡度等要求，也是主要产品乙烯和副产品氢气、富甲烷气(燃料)的产出部位。消耗冷量大，脱甲烷塔进料(裂解气)激冷和脱甲烷塔所需冷量占比例最大，占总冷负荷的50%以上，其次是碳二分离系统即乙烯精馏塔顶冷凝器和脱乙烷塔塔顶冷凝器，占总冷负荷的45%以上，顺序流程的冷量负荷分配和按冷负荷分配的轴功率。深冷脱甲烷、氢气纯化:深冷分离出来的富甲烷气作为本装置裂解炉和/或其它用户汽油加氢单元的燃料气，过量的燃料气将送入装置外全厂燃料气系统。采用低压脱甲烷系统、两段节流膨胀制氢和甲烷/乙烯混合二元制冷。粗氢经过甲烷化反应器脱除CO，然后干燥脱除甲烷化反应生成的水，干燥后氢气产品除用于装置本身碳二、碳三加氢反应器的需要外，多余氢气产品也供其它用户如汽油加氢单元，或送到装置外氢气管网，粗氢或纯化后氢气也可送燃料气系统。

1．2冷区设备特点

深冷分离系统和制冷系统中的热交换设备除核心设备冷箱外，还有不少单台换热器，装置规模大型化后，普通管壳式换热器计算尺寸大，设备设计和制造困难，也不利于设备布置，因此对介质干净的丙烯冷剂、C2物流，如乙烯精馏塔再沸器、中沸器、冷凝器、脱乙烷塔冷凝器、丙烯冷剂冷凝器等采用单个板翅式换热器(板翅芯在罐内(简称CIV即CoreinVessel))、高效换热器，既可提高传热效率、减少压损和冷损失，又可缩小设备尺寸，有利于设备布置。塔系统比较复杂，低温操作，塔内填料层或设备塔板层数多，再沸器、中沸器多，塔顶冷凝器采用丙烯或二元冷剂，泵多是低温泵。制冷压缩机采用多段离心式压缩机，以前采用丙烯、乙烯、甲烷单组分制冷系统，近年采用甲烷、乙烯二元或甲烷、乙烯和丙烯三元组分制冷。

2福建乙烯装置冷区工艺设计流程说明

2．1裂解气深冷脱甲烷、氢气纯化系统

裂解气压缩、干燥后进入深冷分离系统，裂解气用工艺物流和丙烯及二元冷剂渐进激冷到－72℃后进入脱甲烷塔第一进料分离罐，凝液被分成两股并经自身换热后作为脱甲烷塔的第一和第二股进料。来自脱甲烷塔第一进料分离罐顶的裂解气在冷箱中用甲烷尾气和二元冷剂激冷到－95℃。凝液在第二进料分离罐中被分出并送往脱甲烷塔作为第三股进料。来自第二进料分离罐顶的裂解气在冷箱中用氢气和甲烷尾气进一步激冷到－130℃。凝液在第三进料分离罐中被分出并送往脱甲烷塔作为第四股进料。从第三进料分离罐中分出的甲烷氢物料经过两级冷却和闪蒸后得到富甲烷气和氢气产品。氢气在冷箱中回收冷量后大部分进入甲烷化系统以脱除一氧化碳，经过干燥后送往乙炔、MAPD、汽油等加氢反应器用户，剩余的送往装置外氢气系统。分出的甲烷在冷箱中回收冷量后也送往燃料气系统。脱甲烷塔顶分出甲烷氢尾气进入冷箱回收冷量，加热到30℃后作为装置内干燥器、反应器的再生气，甲烷氢尾气最终作为装置的燃料气。脱甲烷塔的塔釜液是C2及以上组分，由泵加压送到冷箱，在冷箱中用丙烯冷剂液体等热物流回收冷量，然后分成2股去脱乙烷塔。

2．2碳二分离系统

脱甲烷塔塔釜液经冷箱回收冷量后分为2股，一股直接作为脱乙烷塔的上部进料，另一股经裂解气预热后作为脱乙烷塔的下部进料。脱乙烷塔的回流由－28℃丙烯冷剂冷凝塔顶气体提供，塔釜再沸器由急冷水加热。另有1台由低压蒸汽提供热量的备用再沸器以保证操作的连续性。脱乙烷塔塔顶净产品进入乙炔加氢反应器系统，2台乙炔转化器，1开1备，每台为3段床叠放，床层带中间冷却器。经过3段床，乙炔被选择加氢成乙烯和乙烷。乙炔转化生成的绿油用来自乙烯精馏塔的一股物流洗涤脱除。乙烯精馏塔有塔釜再沸器和中沸器，中沸器采用裂解气做再沸介质，塔釜再沸器所需热量则由丙烯制冷三段罐顶气体和二段抽出混合丙烯气提供，塔顶回流由－40℃丙烯冷剂提供。塔釜循环乙烷在进入进料处理系统之前经裂解气汽化和在冷箱中回收冷量。乙烯精馏塔产品输出系统设有1套低温乙烯产品板翅式换热器。

2．3制冷系统

1)丙烯制冷。丙烯制冷系统是1个闭环4段系统，它使用蒸汽透平驱动离心式压缩机。系统提供4级制冷:－40℃、－27℃、－3℃和13℃，冷却水用来冷凝压缩机的排出气体，在排出口设置有液体收集罐，可用做液封，使气体能够冷凝。丙烯制冷系统的每一级均设置吸入罐，用做各级用户的缓冲和减少液体夹带入压缩机。

2)二元制冷。二元制冷系统用来提供－40℃到－135℃的制冷温度，是一个二元组分(含微量氢气)，恒定组成甲烷、乙烯的混合冷剂系统，它是一个闭环、三段系统，使用蒸汽透平驱动离心式压缩机，替代了乙烯和甲烷制冷系统，可节省投资和占地。二元制冷压缩机排出气体首先经冷却水和高温位的丙烯冷剂冷却，后经尾气、－40℃丙烯制冷剂和其自身的二元制冷冷剂冷凝，各级二元制冷冷剂流股将裂解气冷到设定的温度。二元制冷系统的各段设置吸入罐，还有液体收集罐和脱不凝气罐。

3福建乙烯装置冷区改造工艺介绍

深冷分离系统的关键设备冷箱不可能拆分和改造流道，为满足改造后的能力要求，新增并联1套裂解气深冷线，相应二元制冷和丙烯制冷系统新增或改造设备以满足新的冷负荷要求。新增设备位号后缀字母N，改造老设备位号后缀字母M，更换设备位号后缀字母R，成套设备如冷箱内单个设备位号后缀加X，以便与原装置设备位号区分。

3．1深冷分离及脱甲烷塔系统、二元制冷系统改造内容

脱甲烷塔是乙烯装置深冷分离的关键塔系，与冷箱及二元制冷系统密切相关，流程复杂，模拟计算难度大。对顺序分离流程，直接关系到乙烯装置的分离效果和能力，FREP乙烯脱瓶颈改造深冷分离系统工艺设计结合现场运行情况，对原800kt/a乙烯装置脱甲烷塔的老原料老负荷进行流程模拟，随后就新原料、新组成、新工况和新产能做了整体模拟和新老冷箱的负荷分配。在流程模拟计算中尝试了很多方案，最终在新冷箱的流程设计中采取了大量优化措施，以确保实际操作过程中关键物流的操作条件可控。原装置的冷箱及板翅式换热器均由杭氧集团供货，故FREP委托杭氧集团进行改造冷箱能力分析。杭氧集团对改造后原有1大1小2套冷箱和新增1套冷箱的工艺要求进行核算和设计，得出结论:老大、小冷箱(PA30301、PA30302)可利旧，无需改造。新冷箱(PA30301N)和3台新增板翅换热器提供工艺数据和技术要求由杭氧集团进行设计和制造。新增裂解气深冷系统与原有裂解气系统流程基本相同，但在局部做了优化调整。为满足去EO/EG的甲烷要求，新增1路中压甲烷流道，且新冷箱没有丙烯产品减负荷，故新冷箱的流道设计与老冷箱有区别。新冷箱的二元冷剂流道设置大部分与老冷箱相似，设计时根据新的裂解气深冷需要冷量和二元制冷系统改造要求进行匹配，新增二元冷剂脱不凝气罐(D55555NX，放在新冷箱内)。新冷箱内冷凝的二元冷剂进入原二元冷剂液体收集罐(D55554)。新老冷箱系统来的二元冷剂分别进入二元制冷系统的各段吸入罐，因新冷箱中二元冷剂用户进入一段罐的气量大幅增加，需要新增一段吸入罐(D55551N)。新增裂解气深冷线新增工艺设备:1套冷箱、3台脱甲烷塔进料分离罐、2台甲烷/氢分离罐及6台的换热器。新冷箱(PA30301N)含12个位号的板翅，2台新甲烷/氢分离罐(D30304NX、D30305NX)和1台二元冷剂罐(D55555NX)移进新冷箱内，这3台罐操作温度低于－140℃、尺寸较小，移进冷箱内有利于新增冷箱和深冷分离相关设备的布置和减少冷损。与新增裂解气深冷系统相匹配，裂解气作为乙烯精馏塔新增中沸器、脱甲烷塔新增再沸器和中沸器的热源。

3．2碳二分离系统

碳二分离系统有脱乙烷塔、C2加氢反应器、干燥器和乙烯精馏塔(C40402M)，碳二分离系统的工艺流程如图5所示。碳二分离系统所消耗的丙烯冷剂量最大，是丙烯制冷系统的主要冷剂用户，同时关系着乙烯产品的产量和质量，是装置性能考核的主要指标。1)脱乙烷塔改造。脱乙烷塔(C40401)原设计采用70块浮阀塔板，改造方案是更换原70块浮阀塔板，采用19块ECMD和54块MD塔板共83块塔板，脱乙烷塔顶冷凝器(E40403R)更换为高效换热器，新增1台急冷水再沸器(E40401N)，回流泵更换(P40401AR/BR)，回流罐改造内件更换高效除沫器。2)乙烯精馏塔改造。脱乙烷塔顶C2气相经过加氢后碳二物流进入乙烯精馏塔。乙烯精馏塔是装置的关键产品塔，塔板数多，塔径大，也是丙烯制冷系统的主要冷剂用户，因此需要综合考虑扩大塔的生产能力、分离效果满足产品质量指标，还要考虑其对能耗的影响。原设计采用162块浮阀塔板，根据塔内件厂家意见，塔壳体利旧，将162块浮阀塔板一对一全部更换为155块MD塔板，乙烯精馏塔因进料、抽出产品的需要，塔板数减少7块。

4结论

4．1国产化乙烯工艺设计技术成熟可靠和进一步发展

FREP乙烯装置脱瓶颈改造首次采用了中石化自有的工艺包设计和工程设计，圆满完成了乙烯装置脱瓶颈改造项目任务。此次FREP乙烯装置改造历时短，见效快，说明国内特大型乙烯装置的工艺技术、工程设计、设备制造、施工安装、操作运行经验和能力已达到国际先进水平，为我国同规模乙烯装置的改造积累了宝贵的经验，并为今后百万吨型乙烯装置的新建或改造工程奠定了良好的基础。

4．2设备及设备内件实现国产化

使用经验证明，无论是新增或更换设备及改造设备内件均达到设计要求，尤其是冷箱及板翅式换热器、塔内件，如脱甲烷塔、脱乙烷塔和乙烯精馏塔改造采用高性能填料及MD/ECMD塔板，不仅施工进度有保证，而且开车后工艺性能优良，对乙烯装置的产能达到改造目标起到了关键作用。改造采用国产催化剂和干燥剂，性能完全满足工艺要求，价格和供货周期比进口催化剂和干燥剂有较大优势，也为乙烯装置的技术国产化提供有力支持。

作者:雷正香单位:中国石化工程建设有限公司