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    丙烯制冷系统方案选择与设计分析.pdf

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    丙烯制冷系统方案选择与设计分析.pdf

    吴德民 丙烯制冷系统方案选择与设计分析 17 丙烯制冷系统方案选择与设计分析 吴德民 中石化宁波工程有限公司 宁波315103 摘要 针对炼厂对工业氢气品质和用量的提高,煤制氢装置气化原料的多样性,净化装置酸性气体脱除 单元各工况所需冷量范围变化较大,提出配套丙烯制冷系统采用蒸汽驱动的离心压缩机与电机驱动的螺杆压缩 机并联运行方案,并对重要设计要点进行分析。 关键词 丙烯制冷煤制氢水煤浆分析 随着汽车保有量快速增长,汽车尾气排放对 大气污染的影响日益增加,炼油企业加快油品质 量升级,所需油品加氢改质的氢气用量大幅增加。 某炼厂新建煤制氢装置,以煤和石油焦为原料, 采用高压水煤石油焦浆气化技术,消耗延迟 焦化装置产生的石油焦不足部分以煤为补充 生产粗合成气,通过净化后制取合格气体,为加 氢裂化装置及渣油加氢处理装置提供工业氢气, 满足炼厂成品油加氢改质的需要,该煤制氢装置 酸性气体脱除单元需要新建配套的制冷系统,本 文针对采用丙烯制冷系统,讨论其工艺技术方案 选择与设计需要关注的问题并进行分析。 1方案比选 1.1工艺路线选择 煤制氢装置包括水煤石油焦浆气化装置、 合成气净化装置。气化采用“非催化部分氧化法” 工艺技术,以煤和石油焦为生产原料,与氧气、 水在高温高压下进行气化反应生成粗合成气后送 净化装置处理。在合成气净化装置内,粗合成气 经CO耐硫变换单元制取变换气,然后经酸性气体 脱除单元脱除CO 和Hs等酸性组份后得到粗氢 气,最后通过甲烷化单元制取满足炼厂所需的工 业氢气。 煤制氢装置中酸性气体脱除单元采用低温甲 醇洗工艺,该工艺需要一定量的冷量补充以保证 甲醇在低温下对酸性气体组份良好的吸收性能, 所以需要配套新建制冷系统提供冷量。目前制冷 工艺主要有吸收制冷、压缩制冷和混合制冷。 1吸收制冷是在低温低压下用水吸收冷媒, 在蒸汽提供热源的条件下将冷媒在一定温度、压 力下蒸馏出来,然后冷却减压制冷,吸收制冷需 要消耗大量蒸汽和循环水,制冷效率较低,只有 在大量低位热能或低压蒸汽找不到更重要的用途 时,才显示其优越性,该工艺制冷剂用氨较合理。 2压缩制冷工艺技术比较成熟,是应用范围 广泛的制冷工艺技术,它是用压缩制冷对制冷剂 进行压缩的一种制冷系统J。压缩制冷量大、结 构紧凑、重量轻、尺寸小,因而占地面积小;没 有气阀、填料、活塞环等往复易损零件,因而工 作可靠性高,操作方便,运转率高,但投资较高。 3混合制冷是将蒸发后的冷媒经离心压缩机 提压后再去吸收制冷,避免了吸收器在负压下操 作,使生产操作更稳定可靠,混合制冷采用工艺 富产的低压蒸汽作热源,系统中的溶解热及冷凝 热由冷却水带出,混合制冷考虑到溶剂与水的溶 解度问题,同样制冷剂用氨较为合理。 由于向炼厂配套供氢,要求煤制氢装置安全、 长周期、连续稳定运行才具有高保障性,所以选 用压缩制冷工艺。结合炼油化工一体化装置自产 丙烯的特点,并拥有完善的丙烯储存系统,因此 新建制冷系统无需考虑丙烯的外购和储存问题。 如果用氨作制冷剂,需考虑氨的外购问题,且需 设置专门的氨储罐系统,单独新建氨火炬设施, 所以选用丙烯作为制冷剂,采用压缩制冷工艺较 为合理。 1.2工况冷量分析 由于气化原料采用了煤和石油焦,原料设计 考虑操作煤种工况、掺焦工况、全焦工况以及设 计煤种工况,由于原料的多样性,对应酸性气体 吴德民工程师。2007年毕业于大连理工大学化工学院化学工艺专业获硕士学位。主要从事化工过程模拟与工艺系统设计方面的工 作。联系电话057487974867,Emailwudm.snecsinopec.COrn。 18 CHEMICAL ENGINEERING DEIGN 化工设计2013,235 脱除单元各种工况所需冷量变化范围较大,各种 工况所需要的冷量一40℃具体见表1。 表1各种工况所需要的冷量 kW 其中工况1操作煤种工况和工况2掺焦工况都 为正常运行工况所需冷量,工况3最大工况为全焦 工况l10%负荷所需冷量,工况4最小工况为设计 煤种60%负荷所需冷量,同时对于炼厂运行初期 所需氢气量较少,所需冷量接近工况4。从表1可 知,所需冷量的范围较宽,从2600kW到8500kW。 如果按照产生冷量8500kW考虑设置单台压缩机, 对于工况1只有53%的负荷,对于工况2只有 66%的负荷,一般压缩机为了防止喘振都在75% 负荷以上运行,所以对于两个正常运行的工况, 都必须打开防喘振线;对于工况4最小工况和炼厂 运行初期,所需冷量只有31%的负荷,所以除了 工况3最大工况外,其余工况都需要打开防喘振 线,驱动透平的蒸汽损耗较为严重。 针对上述情况,提出采用一大一小两台压缩 机并联的方式,大压缩机单独运行保证工况1和 2,小压缩机保证工况4,两台压缩机并联保证工 况3的方案。大压缩机可提供冷量5800kW,小压 缩机可提供冷量2700kW,根据提供冷量规模计算 的压缩机人口丙烯气量,大压缩机选用离心式, 采用蒸汽透平驱动。考虑到费用问题,小压缩机 选用螺杆式,采用电机驱动,两台压缩机各种工 况下运行状态组合方式具体见表2。 表2各工况下压缩机运行状态组合方式 从表2可知,在各种工况下,两台压缩机负荷 均在75%以上,运行时不用打开防喘振线,避免 了蒸汽损耗。 1.3工艺流程 整个丙烯压缩制冷循环通过压缩机做功,换 热冷却将气相丙烯升压并液化,然后送往酸性气 体脱除单元,利用液相丙烯节流膨胀,蒸发吸热 组成制冷循环提供冷量 ,两台压缩机并联设置, 其它换热系统包括冷却、冷凝、过冷和液相丙烯 收集以及各段人口分液灌都共用,工艺流程见 图1。 图1 丙烯压缩制冷工艺流程示意图 从酸性气体脱除单元来的气态丙烯进丙烯压 缩机一段人口分离罐V1,然后分别进压缩机K1和 K2一段进行压缩,经一段压缩的气相丙烯与来自 二段入口分离罐V2的气相丙烯混合后一起进压缩 机K1和I2二段进行压缩,出K1和I2的两股气 体汇合后经出口冷却器E1和出口冷凝器E2变为 液态丙烯,随后进丙烯收集罐V3,从丙烯收集罐 V3底部出来的液态丙烯分成两股,一股丙烯经减 压后在丙烯过冷器E3被蒸发提供冷量冷却另一股 丙烯至10℃的过冷态,被蒸发的气相丙烯进二段 入口分离罐V2,经气液分离后,补人丙烯压缩机 K1和K2二段人口。经丙烯过冷器E3过冷的液相 丙烯分为三股,一股大量的液相丙烯送往酸性气 体脱除单元提供冷量,然后返回一段入口分离罐 V1;一股减压后作为一段人口分离罐V1的补充丙 烯;另一股减压后作为二段人口分离罐V2的补充 丙烯。 K1和K2分别设置了一段和二段防喘振线。 当丙烯收集罐V3、二段人口分离罐V2的液位较低 时,还可以通过丙烯泵P1从一段入口分离罐V1 底部抽出去补充。当二段人口分离罐V2的液位较 高时,可以通过底部管线排人一段人口分离罐V1 中。开车时,从界外来的液相丙烯进一段人口分 离罐V1和丙烯收集罐v3。停车时,用丙烯排出泵 P2从丙烯收集罐V3底部抽出加压后送到界区外。 2设计分析 2.1工艺参数确定 对于压缩机出口的工艺参数,通过流程模拟 软件Aspen plus V7.1模拟计算确定,软件拟合出 丙烯温度一压力相图见图2。 吴德民 丙烯制冷系统方案选择与设计分析 19 图2丙烯温度一压力相图 采用循环冷却水冷却、冷凝压缩机出口气相 丙烯至液相,循环冷却水入口33C,出口43C, 如果丙烯被冷却到40C,由于传热温差太小,导 致冷却冷凝换热器设备尺寸较大,设备费用较高。 经过核算,冷却成42C液相丙烯,考虑了3C的安 全过冷余量,即在冷凝器内45℃气相丙烯变为液 相丙烯,再过冷至42t2送人丙烯收集罐,45C的 饱和压力为1.78 MPaG,所以压缩机出口的压 力确定为1.78 MPaG。 2.2 防喘振线气体分布器设置 两台压缩机均为二级压缩,每台压缩机分别 设置一级、二级防喘振线,当压缩机人口流量低 于防喘振流量时,防喘振阀门开启。在一段和二 段人口分离罐内分别设置了防喘振线丙烯气分布 器,见图3。 图3 分离罐内防喘振线丙烯气体分布器 气体分布器正常位于分离罐内丙烯液面以下, 当防喘振阀门开启时,从防喘振线来的过热态气 相丙烯通过气体分布器均匀分布蒸发液相丙烯, 达到良好的传热效果,蒸发出的气体进压缩机一 段和二段入口,由于压缩机通过压力控制,所以 蒸发出的丙烯气正好是该压力下的饱和温度,分 离罐内的液相丙烯通过液位控制靠来自丙烯过冷 器的液相丙烯补充。 2.3不凝气的回收 对于氨制冷系统,一40℃的冷量要在负压 一0.029MPaG下操作,会有不凝气在系统 内不断积累;对于丙烯制冷系统在正压 0.039MPaG下操作,除了开车用氮气置换 系统外,正常操作时不凝气在系统内较少;开车 时可通过安全阀旁路的管道排入火炬,丙烯气合 格后关闭该管道上的阀门。 在1.78MPaG下的N 一C3H6相图见图4。 图4 N2一C3H6相图 从图4可知,假设相同组成的不凝气,随着温 度的降低,丙烯的回收率越高。如果采用冷却循 环水冷却,露点线上的丙烯气含量较高,回收的 液相丙烯量较少;如果采用一4O0C的丙烯靠自身冷 却,根据杠杆原理,丙烯回收率较高。对于丙烯 制冷压缩机,开车时采用中压氮气作密封气,会 有不凝气排出,当压缩机正常运行时,切换成压 缩机出口的丙烯气作为密封气,减少丙烯气的损 失 ],正常操作时不凝气的量较少,所以该制冷 系统没有设置不凝气的回收设施。 2.4冷凝器的换热管破裂分析 对于丙烯冷却器,壳程走气相丙烯,管程走 循环水,考虑了换热管破裂工况,在循环水管线 上设置了安全阀,但是对丙烯冷凝器,由于气相 丙烯变为液相丙烯并过冷,一旦换热管破裂,液 相丙烯节流膨胀,从丙烯温度一压力相图图2 中看出,泄漏的丙烯至循环水操作压力0.4MPa G时,温度会降到一5℃,此时循环水会结冻, 会造成换热器结冻堵塞问题,所以对于丙烯冷凝 器一般需要把换热管侧的设计压力提高,如取高 压侧设计压力的4/5,并在循环水回水管线上设置 一个取样口,要求在装置巡检时,取样分析检测 丙烯是否泄漏。 2.5润滑油的在线分离 丙烯压缩机在运行时,润滑油随着转子等进 气相丙烯中并不断累计,会影响制冷效果。当压 缩机出口丙烯气冷凝成液相丙烯时,润滑油会以 部分互溶的相态沉在容器的底部,特别是丙烯收 ∞ 。氆勘舶伽 啪仍瑚 一p一莓『理 4 2 0 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 2 2 2 1 l 1 1 1 O 0 0 0 0 一一0一 苫一R斟 20 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,235 集罐的底部,所以在丙烯收集罐底部设置了积油 包,当取样分析检测出液相丙烯中含有润滑油时, 将积油包内底部阀门打开排入丙烯蒸发排放罐, 丙烯蒸发排放罐经自带的水浴槽加热蒸发出气相 丙烯,回到一段入口分离罐内进丙烯循环,润滑 油从罐底排出后收集处理。 2.6开车氮气置换、充压及丙烯置换 对于系统开车,首先需要用氮气置换,以保 证系统中的氧含量小于0.5%wt。从丙烯温度 一压力相图图2看出,在环境温度下,如果引入液 态丙烯,压力至少为1.8MPaG左右。如果用 低压氮气置换,系统内压力为0.4MPaG,引入 液态丙烯进装置后会闪蒸,温度会急剧下降,致 使排人火炬管线的丙烯气温度低于0C,会引起火 炬管内的其它含水介质结冰等潜在问题。 对系统内的不同压力下,引入液态丙烯,假 设火炬系统的背压为0.005MPaG,丙烯气排人 火炬系统温度做了模拟分析,见图5。 1 2 1O 8 6 4 2 0 一-2 . 赠.6 .8 .10 12 .14 16 压力MPaG 图5不同压力下丙烯气排放温度图 从图5可知,如果要保证排入火炬管线的丙烯 气温度不低于O℃,系统内压力应不低于0.8MPa G。建议开车时系统用低压氮气置换后,再用中 压氮气充压至正常操作压力的70%左右,约 1.3MPaG,然后引入液相丙烯,使压力衔接较 为稳定,避免排至火炬系统丙烯气温度较低。因 为火炬气管线采用碳钢材质,应在大于一20C的温 度下使用,所以开车时用中压氮气充压保持系统 一定压力是必要的。 3 结语 1针对煤制氢装置气化原料的多样性,酸 性气体脱除单元对应各工况下冷量需求范围变化 较大,提出了采用蒸汽透平驱动的离心压缩机和 电机驱动的螺杆压缩机并联的设置方案,两台压 缩机组合运行,满足各种原料变化以及炼油初期 装置运行时制冷系统,避免蒸汽额外损耗。 2结合炼油化工装置一体化的特点,选用 丙烯作制冷剂,通过流程模拟等对丙烯物性基础 参数的分析,确定了制冷压缩机出口压力,设置 不凝气回收,冷凝器换热管破裂工况现场的操作 措施,开车时先用低压氮气置换再用中压氮气充 压等,为系统运行提供了相关依据。 3系统防喘振线设置了气体分布器,保证 气相良好的分布,达到稳定的换热效果;系统设 置了润滑油在线分离,保证系统的稳定性。 4为装置向炼厂供氢提供了可靠的保障。 参考文献 1朱延煜.氨吸收制冷及压缩制冷工艺比较[J].广州化 工,2010,387220221. 2张占一.合成氨装置中制冷方式的选择与优化[J].化肥 设计,2011,494l621. 3渠兵,李春兰.丙烯制冷装置丙烯消耗高的原因及改造 [J].中氮肥,2011,34142. 修改日期20130815 上接第12页 台阶”,要求“2015年万元工业增加值能源消耗和 二氧化碳排量比‘十一五’末下降15%,COD和 氨氮排放总量减少12%”。转窑煅烧是钛白工业生 产耗能大户,占钛白总能耗约20%,本文列举的 转窑尾气热能利用的三种方法,都有工业生产应 用实例,企业可根据自身的情况进行选择。以年 产40kt/a金红石型钛白粉企业为例,仍用qb3600 55000的转窑,采用窑尾气闪蒸进窑的湿物料的 工艺,其生产能力可提高1/3,达53kt/a,转窑的 能耗和CO 减排量约降低25.9%,吨钛白的成本 约降低300元,具有可观的经济、环保和社会效 益。三种窑尾气热能利用方法不失为钛白工业发 展技术创新、提高科学技术的好路子。 参考文献 1郭焦星.利用窑尾废热干燥人室料以节能提效[J].无机 盐工业,2012,448. 收稿日期20130313

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