裂解装置制冷系统优化方案

深冷分离过程需要制冷。制冷是利用制冷剂压缩和冷凝得到制冷剂液体，再在不同压力下蒸发，则获得不同温度级位的冷冻过程（或说获得冷量的过程）。

1.制冷剂的选择

常用的制冷剂见表3-16。表中的制冷剂都是易燃易爆的，为了安全起见，不应在制冷系统中漏入空气，即制冷循环应在正压下进行。这样各制冷剂的常压沸点就决定了它的最低蒸发温度。原则上沸点为低温的物质都可以用做制冷剂，而实际选用时，则需选用可以降低制冷装置投资、运转效率高、来源丰富、毒性小的制冷剂。对乙烯装置而言，装置产品为乙烯、丙烯，且乙烯和丙烯具有良好的热力学特性，因而均选用丙烯、乙烯作为乙烯装置制冷系统的制冷剂。在装置开工初期尚无乙烯产品时，可用混合C2馏分暂时代替乙烯作为制冷剂。待生产合格乙烯后再逐步置换为乙烯。

表3-16　制冷剂的性质

丙烯常压沸点为-47.7℃，可作为-40℃温度级的制冷剂。乙烯常压沸点-103.7℃，可作为-100℃温度级的制冷剂。采用低压脱甲烷分离流程时，可能需要更低的制冷温度，此时常采用甲烷制冷。甲烷常压沸点为-161.49℃，可作为-160～-120℃温度级的制冷剂。

2.节流膨胀制冷

高压低温的气体迅速通过节流阀泄压膨胀，由于过程进行的非常快，来不及与外界进行热交换，膨胀所需要的能量只有取自气体本身（内能），这样就使其温度下降，这种过程就叫节流膨胀制冷，温度下降值叫节流效应。液体节流必须有部分气化。节流前温度越低、压力越高，节流效果越好。

一般气体在常温、或低温及中等压力下节流均可降温，而氢气只有在193K以下节流才降温，而在193K以上节流不仅不降温，反而升温，此温度叫氢气的倒转温度。每种气体都有一个倒转温度。

3.冷冻循环制冷

（1）氨冷冻循环制冷，包括液氨的蒸发、气态氨的压缩、气态氨的冷凝、液氨的节流四个过程，能获得-30℃左右的低温。

（2）乙烯-丙烯复叠制冷。在乙烯装置中广泛采用复叠制冷循环实现深冷制冷循环。以丙烯为制冷剂构成的蒸气压缩制冷循环中，其冷凝温度可采用38～42℃的环境温度（冷却水冷却或空冷）。但是，在维持蒸发压力不低于常压的条件下，其蒸发温度受丙烯沸点的限制而只能达到-45℃左右的低温条件。换言之，丙烯制冷循环难于获得更低的温度。

图3-30　乙烯-丙烯复叠制冷循环

以乙烯为制冷剂构成的蒸气压缩制冷循环中，在维持蒸发压力不低于常压的条件下，其蒸发温度可降至-102℃左右。换言之，乙烯制冷剂可以获得-102℃的低温。但是，在压缩-冷凝-节流-蒸发的蒸气压缩制冷循环中，由于受乙烯临界点的限制，乙烯制冷剂不可能在环境温度下冷凝，其冷凝温度必须低于其临界温度（9.9℃）。为此，乙烯蒸气压缩制冷循环中的冷凝器需要使用制冷剂进行冷却。此时，如果采用丙烯制冷循环为乙烯制冷循环的冷凝器提供冷量，则构成图3-30中所示的可制取-102℃低温冷量的乙烯-丙烯复叠制冷循环。

（3）甲烷-乙烯-丙烯复叠制冷。在维持蒸发压力不低于常压条件下，乙烯制冷剂不能达到-102℃以下的制冷温度。为制取更低温度级的冷量，尚需选用沸点更低的制冷剂。例如，选用甲烷为制冷剂时，由于其常压沸点低达-161.5℃，因而可能制取-160℃温度级的冷量。但是，随着常压沸点的降低，其临界温度也降低。甲烷的临界温度为-82.5℃，因而以甲烷力制冷剂时，则其冷凝温度必须低于-82.5℃。此时，如以乙烯制冷剂为其冷凝器提供冷量，则构成图3-31所示甲烷-乙烯-丙烯三元复叠制冷循环。

图3-31　甲烷-乙烯-丙烯复叠制冷系统

复叠式制冷循环是能耗较低的深冷制冷循环，复叠制冷循环的主要缺陷是制冷机组多，又需有贮存制冷剂的设施，相应投资较大，操作较复杂，而在乙烯装置中，所需制冷温度的等级多，所需制冷剂又是乙烯装置的产品。贮存设施完善，加上复叠制冷循环能耗低，因此，在乙烯装置中仍广泛采用复叠制冷循环。

通常，乙烯装置多采用乙烯-丙烯复叠制冷系统提供-102℃以上各温度级的冷量，而少量低于-102℃温度级的冷量，则通过甲烷—氢馏分的节流膨胀或等熵膨胀而获得。当低温分离系统所需-102℃以下温度级冷量较大时（如采用低压脱甲烷工艺流程），可采用甲烷-乙烯-丙烯三元复叠制冷系统补充低温冷量。

4.多级蒸汽压缩制冷循环

（1）多级压缩多级节流蒸发。单级蒸汽压缩制冷循环只能提供一种温度的冷量，即蒸发器的蒸发温度，这样不利于冷量的合理利用。为降低冷量的消耗，制冷系统应提供多个温度级别的冷量，以适应不同冷却深度的要求。在需要提供几个温度级的冷量时，可在多级节流多级压缩制冷循环的基础上，在不同压力等级设置蒸发器，形成多级节流多级压缩多级蒸发的制冷循环，以一个压缩机组同时提供几种不同温度级的冷量，从而降低投资。图3-32为制取四个温度级别制冷量的丙烯制冷系统典型工艺流程。该流程中的丙烯冷剂从冷凝压力（约1.6MPa）逐级节流到0.9MPa、0.5MPa、0.26MPa、0.14MPa，并相应制取16℃、-5℃、-24℃、-40℃四个不同温度级的冷量。

（2）热泵。所谓“热泵”是通过做功将低温热源的热量传送给高温热源的供热系统（或说将精馏塔顶移出的热量传到精馏塔底设备。显然，热泵也是采用制冷循环，利用制冷循环在制取冷量的同时进行供热。

图3-32　不同温度级的丙烯制冷系统

在单级蒸汽压缩制冷循环中，通过压缩机作功将低温热源（蒸发器）的热量传送到高温热源（冷凝器），此时，如仅以制取冷量为目的，则称为制冷机。如果在此循环中将冷凝器作为加热器使用，利用制冷剂供热则可称此制冷循环为热泵。

图3-33　丙烯制冷系统的热泵方案

在裂解气低温分离系统中，有些部位需要在低温下进行加热，例如：低温分馏塔的再沸器和中间再沸器、乙烯产品气化等。此时，例如，利用制冷循环中气相冷剂进行加热，则可以节省相当的能耗。以多级丙烯制冷系统为例，例如，在压缩机中间各段设置适当的加热器（图3-33），用气相冷剂进行加热，不仅节省了压缩功，而且相应减少冷凝器热负荷，这种热泵方案在能量利用方面是合理的。

闭式热泵：冷冻循环介质与塔中物料自成系统，没有物料上的接触与沟通，这样的热泵方案称为闭式热泵，如图3-34（a）、（b）所示。

开式热泵：塔中物料即为冷冻循环介质，这样的热泵方案称为开式热泵。塔顶物料为冷冻循环介质的叫A型开式热泵，如图3-34（c）所示，在乙烯厂中常用（节省了低温的冷凝器、回流罐、节流阀等）；塔底物料为冷冻循环介质的叫B型开式热泵，如图3-34（d）所示。

图3-34　精馏塔的不同制冷方式

1—压缩机；2—再沸器；3—冷剂贮罐；4—节流阀；5—塔顶冷凝器；6—精馏塔；7—回流罐；8—回流泵；9—冷剂冷凝器

知识框图

拓展与思考

1.何谓一次反应？不同烃类热裂解的一次反应规律如何？何谓二次反应？二次反应对裂解有何影响？

2.从热力学和动力学两个方面综合分析说明烃类热裂解反应的裂解温度和停留时间对裂解反应过程有何影响？如何选择适宜的裂解温度和停留时间？

3.裂解原料的组成如何？表征裂解原料特性的指标有哪些？

4.从化学平衡和反应速率方面说明压力对裂解反应有何影响？

5.裂解过程中为何要加入水蒸气？水蒸气加入的原则是什么？

6.管式裂解炉裂解的生产技术要点是什么？目前代表性裂解技术有哪些？

7.裂解气的组成及分离目的有哪些？工业上采用哪些分离方法？

8.深冷分离过程由哪几大系统组成？各个系统的主要任务是什么？

9.在确定深冷分离工艺流程时需要从哪些方面考虑？

10.裂解气深冷分离为何采用多段压缩技术？段数的多少如何确定？

11.裂解气体中有哪些酸性气体？其危害、来源及脱除方法分别是什么？(www.xing528.com)

12.为什么要严格控制裂解气中的水的含量？

13.裂解气中的炔烃有哪些？其危害如何？工业上的脱炔烃方法有哪些？各种方法的应用情况如何？

14.裂解气的深冷分离的工艺流程有哪些？画出各个工艺流程示意图，并说明各个流程的特点和使用范围。

15.热裂解过程中采用哪些节能措施？

16.什么是热泵？什么是冷箱？

17.何时需要清焦？生产中采用哪些清焦方法？

拓展阅读

岗位操作法

一个化工装置要实现顺利试车及正常运行，除了需要一个科学、先进的操作规程以外，还必须有一整套岗位操作法。

1.岗位操作法的意义及作用

岗位操作法是用来实施和贯彻操作规程中所列的开、停车程序，并将其进行细化，每个岗位能够互相配合、互有分工地将全装置启动起来，而且在生产需要和异常情况出现时，能把全装置正确地停止运转。

岗位操作法是操作规程的实施和细化，是每个岗位操作入员借以进行生产操作的依据及指南，它与操作规程一样，一经颁发实施即具有法定效力，是工厂法规的基础材料及基本守则。每个操作工人在走上生产岗位之前都要经过岗位操作法的学习及考试。只有熟悉岗位操作法、能用操作法中的有关内容指导实施正常生产并经过考核合格的人员才能走上操作岗位。同样，任何个人无权随意地更改操作法的有关内容。如有违反操作法或随意更改操作法的人员，应予严肃批评教育；如果由此而造成生产事故则要追究其责任。由于违反岗位操作法而造成跑料、泄漏、爆炸、失火及人身伤亡等事故，在化工生产中也是经常发生的。如某石油化工厂的聚丙烯装置，由于岗位操作人员未严格执行操作法，将低压瓦斯气外逸至包装车间形成可燃气体，当包装机启动时火花与可燃气体相遇即引起爆燃，事故造成7人烧伤及1人死亡，直接经济损失数万元，所以，每个操作人员都必须认真地学习及掌握好岗位操作法，严格按操作法进行操作，杜绝事故发生，完成好本岗位的生产任务。

此外，岗位操作法也是工厂考核工人转正、定级的基本依据，也是新工人进行教育培训的基础教材。一般新工人进厂，除了要进行化工知识的一般讲座培训外，必须组织学习操作规程及岗位操作法，使他们对化工生产的了解由抽象转为具体。而对老工人，每年必须按岗位操作法对其进行考核，然后决定其技术等级，以激励操作工人不断地学习和进取，达到高级技工的水平。

2.岗位操作法的内容及要求

作为工厂法规的基础材料及基本守则，岗位操作法的内容及要求包括如下内容：

（1）本岗位的基本任务

要求应以简洁、明了的文字说明本岗位所从事的生产任务。例如，原料准备岗位，每班要准备的原料种类、数量、质量指标、温度、压力等；准备好的原料应送往的具体岗位，每班送往的次数，每次送往的吨数；本岗位与前、后相关岗位的分工及合作情况，特别应明确两个岗位之间的交接点，绝不能造成“两不管”的状况。

（2）工艺流程概述

要求说明本岗位的工艺流程及起止点，并列出工艺流程简图。

（3）所管设备

应列出本岗位生产操作所使用的所有设备、仪表，标明其数量、型号、规格、材质、重量等。通常以设备一览表的形式采表示。

（4）操作程序及步骤

列出本岗位如何开车及停车的具体操作步骤及操作要领。例如，先开哪个管线及阀门；是先加料还是先升温，加料及升温具体操作步骤，要加多少料，温度升到多少度，都要详细列出；特别是空车开车及倒空物料作抢修准备的停车，操作步骤更要详细列出。

（5）生产工艺控制指标

凡是由车间下达到本岗位的工艺控制指标，如反应温度、操作压力、投料量、配料比、反应时间、反应空间速度等都应一个不漏地全部列出。

（6）仪表使用规程

要求列出所有仪表（包括现场的和控制室内的）的启动程序及有关规定。

（7）异常情况及其处理措施

列出本岗位通常发生的异常情况有哪几种，发生这些异常情况的原因分析，以及采用什么处理措施来解决上列的几种异常状况，处理措施必须具体化、具有可操作性。

（8）巡回检查制度及交接班制度

应标明本岗位的巡回检查路线及其起止点，必要时以简图列出；列出巡回检查的各个点、检查次数、检查要求等。交接班制度应列出交接时间、交接地点、交接内容、交接要求及交接班注意事项等。

（9）安全生产守则

应结合装置及岗位特点，列出本岗位安全工作的有关规定及注意事项。例如，本岗位不能穿带钉子的鞋上岗、需戴橡皮围裙及橡皮手套进行操作等都应以具体的条款列出。

（10）操作人员守则

应从生产管理角度对岗位人员提出一些要求及规定。例如，上岗严禁抽烟、必须按规定着装等以及提高岗位人员素质、实现文明生产的一些内容及条款。

对于上述基本内容，应结合每个岗位的特点予以简化或细化，但必须符合岗位生产操作及管理的实际要求。编写内容应具体，适当结合一些理论，但要突出具体操作。文字要简洁明了、含义明确，以免导致误操作以及岗位之间的扯皮。对于前岗位或后岗位的工作内容及所管辖范围，则在本岗位的操作法中不应列出；如必须列出时，应明确本岗位的职责只是予以配合。操作人员如对岗位操作法中某些内容、要求不够清楚时，应及时请示班长及值班主任，不能随意解释及推测。否则，岗位操作发生事故应由操作人员负主要责任。

3.岗位操作法的编制、批准和修订

（1）岗位操作法的编制、批准

岗位操作法一般由装置的工艺技术人员牵头组织编写初稿，并可由车间安全员、班组长及其他一些生产骨干共同参与编写工作。编写过程可与操作规程同步，也可先完成操作规程继而完成岗位操作法。

岗位操作法的编制方式一般也有两种。

①一种方式是由工艺技术人员组织车间安全员、班组长及其他一些生产骨干，一起消化、学习装置的设计说明书、初步设计及试车规程和操作规程，在此基础上编写岗位操作法。一般在化工投料之前，先编写一个初稿供试车用，也可称为“试行稿”：在化工试车总结基础上，对初稿再进行补充、修改、完善，然后正常试生产一段时间后确定最终送审稿。因为在试车阶段毕竟时间甚短，许多问题一时尚未暴露出来，所以在试生产一个时期后，再予确定最终送审稿的做法比较值得推荐。为了使工厂在试生产阶段有法可依，可将这一阶段的岗位操作法定为试行稿，交由工厂生产技术科审查备案。

②另一种方式则由装置的工艺技术人员牵头组织部分生产骨干，去国内（外）同类生产工厂培训，并收集同类装置的岗位操作法等技术资料后，再按不同专业、不同岗位有针对性地对同类装置相同岗位的操作法进行修改、补充、完善来完成初稿进行试行；在试行一个阶段后再做一次修改，完成最终送审稿。

上述两种岗位操作法的编写方式可根据情况选择使用，也可将两种方式结合起来进行初稿的编写。

总之，无论采用哪种方式编写，对于编写好的岗位操作法，既要满足生产管理的需要，又要使操作工人易懂、易学、易明了、易执行。初稿确定后由车间主任组织讨论修改后试行，试行一阶段后再作修改，完成送审稿，交由工厂生产技术部门及总工程师进行审定，由厂长批准颁发。

岗位操作法与操作规程一样，一经批准下达即具有法定效力，任何人不得随意修改，各类人员都应维护其严肃性。

（2）岗位操作法的修订

岗位操作法的修订工作与操作规程情况基本类同。一种情况是由于科技进步，革新了原来的工艺流程或主要设备；另一种情况是由于扩建增加了生产能力；第三种情况是由于操作人员和技术人员在生产一个阶段后发现了设计上的一些缺陷及一些薄弱环节后，提出了一些改进的意见和措施，这样原有的操作法就必须进行修订和补充；此外，在工厂体制、管理模式进行调整时，也可能要对岗位操作法进行一些修改或补充。

操作法修订和报批的程序与前述相同。新操作法一旦报批颁发，原有的操作法即宣告失效。