CN102040443B

CN102040443B - 一种三元制冷系统上的冷箱冻堵处理技术

Info

Publication number: CN102040443B
Application number: CN 200910180420
Authority: CN
Inventors: 赵百仁; 李广华; 李生斌; 陈海; 周保国
Original assignee: Sinopec Engineering Inc; China Petrochemical Corp
Current assignee: Sinopec Engineering Inc; China Petrochemical Corp
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2029-10-14
Also published as: CN102040443A

Abstract

本发明提供了一种三元制冷系统的冷箱冻堵处理方法。本发明所述的冷箱冻堵处理方法是在用于冷却裂解气和回收尾气中的冷量的主换热器之外设置专门用于轻冷剂过冷和轻冷剂致冷的副换热器。对于新建或现有装置的更换，可将三元轻冷剂过冷段与其它物流分离开，另设换热器，单独过冷，并设置并联备用；对于老装置的改造，可将已过冷后的轻冷剂，再串联一台副换热器，进一步过冷；其它低于-100℃的轻冷剂致冷流道，可有条件的选择备用。这样，通过启用备用或开启旁通，三元制冷系统中最易冻堵的部位可适时切出清理，进而逐步解决这一冻堵问题，最终使三元冷剂各处致冷温度恢复正常，使氢气纯度和乙烯损失等设计参数达标。

Description

一种三元制冷系统上的冷箱冻堵处理技术

技术领域

本发明属于一种乙烯装置上三元制冷系统的冷箱冻堵处理技术，具体涉及深冷部分的轻冷剂过冷与致冷流道的备用和清堵方法。

背景技术

乙烯装置深冷分离温度从零上二、三十度到零下一百五、六十度，因此通常需要丙烯、乙烯和甲烷三种冷剂提供冷量，相应的要有两个甚至三个制冷压缩机系统。近来随着技术的发展，有的专利商开始将这三种冷剂混合在一起，用一台制冷压缩机代替上述三台使用，以减少设备台数、缩小场地布置和节省投资，这就是三元制冷系统。

在该系统中，按一定比例配制的三元冷剂气相经压缩后，先分凝出大部分作为重冷剂，再分凝出一部分作为中冷剂(本步可选)，剩余的气相最后全部冷凝作为轻冷剂使用。由于轻冷剂的组分越来越轻，通过减压汽化，可为乙烯装置提供各种冷级的冷量。

这些轻冷剂在使用前一般先要进行过冷，这样做不仅可以提高利用率，还可降低其初始汽化温度，从而提供更低温度级别的冷量。轻冷剂饱和液相经过冷后，首先用于裂解气的最冷端和脱甲烷塔的冷却与冷凝，然后依次为前冷其它尾气换热器提供冷量，直到全部汽化并过热为止。

由于三元制冷在乙烯装置上的应用尚属新技术，经验欠缺，所以从设计到操作难免还有考虑不周之处。在使用过程中，冷箱中的轻冷剂流道，主要是低于-100℃的深冷部分，发生了压力降逐渐升高的现象，导致某些致冷温度不达标。

如图1所示，现有技术中冷箱中的轻冷剂通道有两条：

通道1是饱和轻冷剂自轻冷剂收集罐5返回冷箱的过冷流道。轻冷剂的过冷流道，随着时间的推移，流动阻力升高得很快，最高可达数倍甚至几十倍，不但过冷达不到设计要求，严重时甚至堵塞冷剂的流通，因此它对操作影响最大。分析其原因，可能是由配料组分丙烯所带入的微量H₂O、MAPD、二烯烃和CO₂等凝固点较高的杂质的冻堵所致。因为每次停车检修，将流道复热、清洗和吹扫之后，情况就会明显好转一段时间。

通道2是过冷轻冷剂节流减压后的致冷通道。轻冷剂的致冷通道，阻力降增加最大将近一倍，不过增速较慢。

从流道中流体的流动特性来看，

轻冷剂在全凝之前的冷却、冷凝通道(即通道2)和节流减压之后的致冷、过热通道中，或者全为气相，或者为气液混相。由于流体的体积大、流速高、湍动能力强，不断冲刷流道，因此固体聚结、淤积和堵塞的机会少。

而轻冷剂的过冷通道(即通道1)中，流体的体积最小、流速慢，温度低，易于固化物的形成和沉积。因此轻冷剂的过冷通道是三元制冷系统中最容易发生堵塞的地方。

这一结论与上述描述的实际情况也是吻合的。

已经采取的措施有：增加丙烯干燥器，以进一步清除可能夹带的水分；现场通过加大轻冷剂用量、降低压缩机吸入口压力和增加冷剂中轻组分的配比等手段进行调控。这些都可使运行状况暂时得以改善，但冻堵的问题始终没能彻底解决。

其它可能的解决方案还有：

第一、外购高纯度的丙烯、乙烯和甲烷配制三元冷剂。

第二、将三元冷剂进行预处理，把可能发生冻堵的杂质一一除去。

第三、装置反复停车，清理流道，等等。

显然，这些措施也是要么不经济，要么不现实。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述乙烯装置上三元制冷系统运行过程中出现的冷箱冻堵问题，以及冻堵主要集中在深冷部分轻冷剂的过冷段和轻冷剂致冷的最冷端(＜-100℃)之特点，提供一种解决上述冷箱冻堵问题的切实可行的简便方法。

本发明的三元制冷系统的冷箱冻堵处理方法，是这样实现的：

本发明所述的冷箱冻堵处理方法是在用于冷却裂解气和回收尾气中的冷量的主换热器1之外设置专门用于轻冷剂过冷和轻冷剂致冷的副换热器2。

本发明的核心，是在最容易发生冻堵的位置配置了备用冷箱，在发生堵塞时可以及时切换清理。

所述的主换热器1中，要通过换热致冷的热流体3选自下列二者之一：①裂解气3-1，②裂解气3-1和过冷轻冷剂3-2；

所述的主换热器1中，要通过换热致冷的冷流体4选自下列二者之一：①氢气4-1，CH₄4-2，②氢气4-1，CH₄4-2和致冷轻冷剂4-3；

所述的副换热器2中，要通过换热致冷的热流体为过冷轻冷剂3-2；

所述的副换热器2中，要通过换热致冷的冷流体为致冷轻冷剂4-3。

所述的CH₄4-2包括低压CH₄4-2-1、中压CH₄4-2-2和高压CH₄4-2-3中的至少一种。

本发明的实施方式一是：

所述的主换热器1中，要通过换热致冷的热流体3为裂解气3-1，要通过换热致冷的冷流体为氢气4-1，CH₄4-2；

所述的副换热器2中，要通过换热致冷的热流体为过冷轻冷剂3-2，要通过换热致冷的冷流体为致冷轻冷剂4-3；

所述的副换热器2为两台互为并联的换热器，一开2-1一备2-2，由一部分节流减压后的＜-100℃轻冷剂提供冷量。

当所述的副换热器2-1冻堵严重时，启用副换热器2-2，将副换热器2-1切出清理；以后当所述的副换热器2-2冻堵严重时，启用副换热器2-1，将副换热器2-2切出清理。

综上，本发明的实施方式一是将轻冷剂过冷流道分出，单设冷箱，并备用。

轻冷剂过冷所在的板翅式换热器中，除了轻冷剂的过冷流道外，还有裂解气、H₂、低压CH₄、中压CH₄可选、高压CH₄以及轻冷剂致冷流道。热流体是裂解气和准备过冷的轻冷剂，其它为冷流体。该换热器的主要作用是将裂解气冷却/冷凝到-130℃左右，将饱和轻冷剂过冷到-130℃以下，并回收H₂和各种CH₄尾气中较高级位的冷量。

显然，它的物流数较多，体积庞大，若直接备用一台，投资、占地都很大，配管也较复杂。但是有一点可以看到：冷却裂解气和回收尾气中的冷量才是这里的首要工艺任务，过冷轻冷剂本身是三元制冷系统自己的事情。所以，考虑把它们分开也是顺理成章的。

H₂和各种CH₄等尾气比较干净，全部用于冷却/冷凝裂解气，不够的冷量引一股过冷轻冷剂补充。把轻冷剂的过冷单独拿出来，另设一台板翅式换热器，仅由轻冷剂提供冷量。该换热器只有一冷一热两个流道，结构比较简单，备用一台没有什么难度。它的一侧为全部的过冷轻冷剂；另一侧为-100℃以下的致冷轻冷剂，其量占轻冷剂总量的一半以上，正好两侧都可定期切出清理。

本发明也可以有另一种具体实施方式：

所述的副换热器2为一台；从所述的副换热器2，分别引出两条换热跨接线：一条从主换热器1的过冷轻冷剂3-2的出口管线上设置的切断阀两端跨接到副换热器2相应过冷换热管进出阀门的前后；另一条从主换热器1的致冷轻冷剂4-3的出口管线上设置的切断阀两端跨接到副换热器2相应换致冷热管进出阀门的前后。

正常操作时，

主换热器1和副换热器2的过冷轻冷剂3-2的过冷流道串联使用，由主换热器1的过冷轻冷剂3-2的出口管线上设置的切断阀控制；

主换热器1和副换热器2的致冷轻冷剂4-3的的致冷流道串联使用，由主换热器1的致冷轻冷剂4-3的出口管线上设置的切断阀控制。

当发生冻堵时，

将主换热器1的过冷轻冷剂3-2的出口管线和致冷轻冷剂4-3的出口管线的两个切断阀全部打开，关闭副换热器2相应换过冷和致冷换热管的进出阀门，切出副换热器2的过冷器进行清理，处理完后副换热器2重新投用。

综上，上述的技术方案，在流程设置上为并联，主要对于现有装置的改造。如果某些流道的封堵或流量的较大调整会显著影响其它流道正常操作的化，为避免设备的大规模改动，也可采用串联方案，但效果可能要差一点。严格意义讲，串联设备并不能真正的备用，因为正常操作也要一起使用，只是需要清理冻堵物时，才短时间采用旁路。

在其它低于-100℃的轻冷剂致冷流道7中，将物流数较少的用户，如脱甲烷塔冷凝器只有两股物流，负荷较小，也可考虑设置备用，但这一条并不是必须的。

当发生冻堵时，就可以启用备用冷箱，及时切换清理。这样：

一、可以不影响装置的正常操作，保证其连续稳定的运行。

二、通过冻堵流道的隔离，可以取得冻堵样品，分析冻堵杂质的成分，找出冻堵的根源，从而采取更有效的预防手段。

三、经过反复切换，通过对冻堵最严重流道的复热、清洗、吹扫和干燥等处理，可以使三元冷剂系统中的冻堵杂质含量越来越少，再通过运行过程中杂质的扩散和向最易冻结处的转移，最终将其它未备用流道内的冻堵杂质也逐渐予以清除。所以，如果补充的新鲜三元冷剂不多，备用冷箱的切换周期将越来越长。

本发明的效果是：

可避免因三元制冷系统的冻堵而引起的停车，延长操作周期，减少频繁停车带来的麻烦和造成的损失；可使三元冷剂的致冷满足设计要求，使氢气纯度和产量、乙烯损失达标；也使三元制冷压缩机的运行逐渐恢复正常，从而降低其功率消耗，提高装置的生产能力。

这一技术，虽然会增加轻冷剂过冷器等1～2台简单的两流道备用换热器，以及相应的安全阀、切断阀、管道过滤器、放净线和清洗线等附件，但是制造、安装等不复杂，同时原轻冷剂过冷流道所在的尾气换热器体积还会有所减小，所以投资增加并不大。

对于其它多元制冷，如甲烷-乙烯或丙烯二元制冷等，以上方法也同样适应。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1是现有技术的轻冷剂过冷流道所在的板翅式换热器流程示意图

图2是本发明提供的将轻冷剂过冷流道分出、单独设置和并联备用的方案流程示意图

图3是本发明提供的现有装置改造中的轻冷剂过冷流道串联方案示意图

具体实施方式

首先，设置干燥器，将由装置引入、用于配制三元冷剂的聚合级丙烯做进一步的干燥，使其露点＜-100℃。

其次，在易冻堵的位置，设置备用设备，并定期切换清理。

1.轻冷剂的过冷流道

由上面的描述可知，原轻冷剂的过冷换热器中，有轻冷剂过冷、轻冷剂致冷、裂解气、氢气和各种甲烷尾气等多个流道在一起，管线较多，设备庞大，不利于直接全部备用。

1新建装置

如图2所示，把轻冷剂过冷流道单独分出来，另设两台同样的副换热器，一开一备，由节流减压后的轻冷剂提供冷量。其它工艺物流全部留在主换热器中不变，轻冷剂的致冷流道也保留，但负荷将减少一半以上。

由此，换热器由一台变为三台，轻冷剂过冷管线由一条分为两条，轻冷剂致冷管线则由一根分为三根。两台轻冷剂过冷换热器进出口要加切断阀；为防止切断阀关闭时，备用换热器内的物质汽化憋压，所以切阀内应设置安全阀。两新增换热器的其它要求，如入口设管道过滤器，进出口有带放净的可拆卸短节等，同原板翅式换热器一样。

装置开车初期，由于流道比较干净，操作一般不会有什么大问题。后来，随着时间的增长，冻结的杂质逐渐在流道里累积而使阻力降升高，达到一定地步，如氢气纯度或乙烯损失等操作指标超出装置10％的波动范围时，就应该启用备用换热器，及时切换清理。

发生冻堵的换热器被切出以后，首先应把系统内的冷剂通过液体排放管线倒空、泄压至干火炬罐；并用氮气置换；然后慢慢升温，将流道内的凝固物渐渐熔化；用气体配液氮气或高压甲烷+甲醇清洗，再用氮气吹扫、干燥和预冷；最后用气相三元冷剂置换、密封，就可以备用了。

2改造装置

如图3所示，对于现有装置的改造，当然也可用上述新建装置的方法进行更换，但难度和工作量较大；为此我们采用串联的方法予以改造。

具体措施如下：将轻冷剂过冷换热器与三元冷剂反凝罐6之间的轻冷剂过冷和致冷两条管线，各增加一个切断阀，然后再并联一台副换热器。该换热器只有轻冷剂的过冷和致冷两股物流，结构比较简单。

正常操作时，轻冷剂的过冷流道两台换热器串联使用；轻冷剂的致冷流道，或者两台换热器完全串联使用，或者第二过冷器内的流量适当减少一点，由加切断阀的原管线旁路掉一部分，具体可视轻冷剂的过冷与裂解气的冷却情况而定。当发生冻堵时，可将轻冷剂过冷和致冷管线上的两新加切断阀全部打开，切出新增的过冷器进行清理。清理方法同新建装置一样，只是清理的时间要尽量短，处理完后应立即投用。

该方法因为可切出清理的冻堵范围受限较大，所以使用效果要打折扣，不过每次清理之后对操作肯定是有益处的。

2.脱甲烷塔冷凝器等

其它低于-100℃的轻冷剂致冷流道7所在的换热器，如脱甲烷塔冷凝器等，一般只有两股物流，结构简单；负荷较小，体积不大，所以无论新建还是改造，都可以完全并联备用。能够适时切换、定期清理，对操作当然有帮助，但这里并不是问题的关键。因此，在实际的设计和改造当中，它们是否一定要备用，还应根据装置总投资和现场布置的允许程度确定。

Claims

1.一种三元制冷系统的冷箱冻堵处理方法，其特征在于：

所述的冷箱冻堵处理方法是在用于冷却裂解气和回收尾气中的冷量的主换热器(1)之外设置专门用于轻冷剂过冷和轻冷剂致冷的副换热器(2)，所述副换热器(2)如下设置：

所述的副换热器(2)为两台互为并联的换热器，一开(2-1)一备(2-2)，由一部分节流减压后的<-100℃轻冷剂提供冷量，当所述的一开(2-1)冻堵严重时，启用一备(2-2)，将一开(2-1)切出清理；以后当所述的一备(2-2)冻堵严重时，启用一开(2-1)，将一备(2-2)切出清理；

或者，所述的副换热器(2)为一台；从所述的副换热器(2)，分别引出两条换热跨接线：一条从主换热器(1)的过冷轻冷剂(3-2)的出口管线上设置的切断阀两端跨接到副换热器(2)相应过冷换热管进出阀门的前后；另一条从主换热器(1)的致冷轻冷剂(4-3)的出口管线上设置的切断阀两端跨接到副换热器(2)相应致冷换热管进出阀门的前后；当发生冻堵时，将主换热器(1)的过冷轻冷剂(3-2)的出口管线和致冷轻冷剂(4-3)的出口管线的两个切断阀全部打开，关闭副换热器(2)相应过冷换热管和致冷换热管的进出阀门，切出副换热器(2)的过冷器进行清理，处理完后副换热器(2)重新投用。

2.一种如权利要求l的三元制冷系统的冷箱冻堵处理方法，其特征在于：

所述的主换热器(1)中，要通过换热致冷的热流体(3)选自下列二者之一：①裂解气(3-1)，②裂解气(3-1)和过冷轻冷剂(3-2)；

所述的主换热器(1)中，要通过换热致冷的冷流体(4)选自下列二者之一：①氢气(4-1)，CH₄，②氢气(4-1)，CH₄和致冷轻冷剂(4-3)；

所述的副换热器(2)中，要通过换热致冷的热流体为过冷轻冷剂(3-2)；

所述的副换热器(2)中，要通过换热致冷的冷流体为致冷轻冷剂(4-3)。

3.一种如权利要求2的三元制冷系统的冷箱冻堵处理方法，其特征在于：

所述的CH₄包括低压CH₄(4-2-1)、中压CH₄(4-2-2)和高压CH₄(4-2-3)中的至少一种。

4.一种如权利要求2或3的三元制冷系统的冷箱冻堵处理方法，其特征在于：

所述的主换热器(1)中，要通过换热致冷的热流体(3)为裂解气(3-1)，要通过换热致冷的冷流体为氢气(4-1)，CH₄；

所述的副换热器(2)中，要通过换热致冷的热流体为过冷轻冷剂(3-2)，要通过换热致冷的冷流体为致冷轻冷剂(4-3)。

5.根据权利要求2或3所述的冷箱冻堵处理方法，其特征在于：

所述的主换热器(1)中，要通过换热致冷的冷流体(4)选自下列二者之一：①氢气(4-1)，CH₄，②氢气(4-1)，CH₄和致冷轻冷剂(4-3)。

6.根据权利要求5所述的冷箱冻堵处理方法，其特征在于：

所述的副换热器(2)为一台；从所述的副换热器(2)，分别引出两条换热跨接线：一条从主换热器(1)的过冷轻冷剂(3-2)的出口管线上设置的切断阀两端跨接到副换热器(2)相应过冷换热管进出阀门的前后；另一条从主换热器(1)的致冷轻冷剂(4-3)的出口管线上设置的切断阀两端跨接到副换热器(2)相应换致冷热管进出阀门的前后；

正常操作时，

主换热器(1)和副换热器(2)的过冷轻冷剂(3-2)的过冷流道串联使用，由主换热器(1)的过冷轻冷剂(3-2)的出口管线上设置的切断阀控制；

主换热器(1)和副换热器(2)的致冷轻冷剂(4-3)的致冷流道串联使用，由主换热器(1)的致冷轻冷剂(4-3)的出口管线上设置的切断阀控制。