劉學(xué)武 王 娟 高林林

(昊華國(guó)泰化工有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古鄂爾多斯017418)

丙烯制冷系統(tǒng)結(jié)冰的預(yù)防及改造

劉學(xué)武 王 娟 高林林

(昊華國(guó)泰化工有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古鄂爾多斯017418)

2016年3月17日，昊華國(guó)泰化工有限責(zé)任公司年產(chǎn)400 kt甲醇裝置丙烯制冷系統(tǒng)在檢修過(guò)程中意外進(jìn)水，因處理不當(dāng)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)冰凍堵而停產(chǎn)3 d，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)396萬(wàn)元。究其原因，雖然丙烯制冷系統(tǒng)進(jìn)水后處理不當(dāng)導(dǎo)致結(jié)冰凍堵是一個(gè)不可回避的事實(shí)，但該類系統(tǒng)所存在的設(shè)計(jì)缺陷也是不可忽視的。

1 丙烯制冷系統(tǒng)工藝原理

制冷的方法很多，常見(jiàn)的有以下4種：液體汽化制冷、氣體膨脹制冷、渦流管制冷和熱電制冷，其中液體汽化制冷的應(yīng)用最為廣泛，丙烯制冷就是其中一種，它是利用丙烯液體汽化時(shí)的吸熱效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。當(dāng)液體處于密閉容器時(shí)，若該容器內(nèi)除了液體及液體自身的蒸氣外不存在任何其他氣體，那么液體和蒸氣在某一壓力下將達(dá)到平衡，此時(shí)的氣體稱為飽和蒸氣，它所具有的壓力稱為該溫度下的飽和壓力，溫度稱為飽和溫度，飽和壓力隨溫度的升高而升高。如果將一部分飽和蒸氣從容器中抽出，液體中就必須再汽化一部分蒸氣來(lái)維持平衡，液體汽化時(shí)，需要吸收熱量，此熱量稱為汽化潛熱。汽化潛熱來(lái)自被冷卻對(duì)象，它使被冷卻對(duì)象變冷，或者使它維持在某一低溫。為使上述過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，必須不斷地從容器中抽出蒸氣，再不斷地將液體補(bǔ)充進(jìn)去。通過(guò)一定的方法把蒸氣抽出，并使其凝結(jié)成液體后再回到容器中，就能滿足此要求。從容器中抽出的蒸氣如果直接凝結(jié)成液體，所需冷卻介質(zhì)的溫度比液體的蒸發(fā)溫度還要低。為了使蒸氣的冷凝過(guò)程在常溫下實(shí)現(xiàn)，需要將蒸氣的壓力提高至常溫下的飽和壓力，這樣制冷介質(zhì)將在低溫、低壓下蒸發(fā)，會(huì)產(chǎn)生制冷效應(yīng)，并在高溫、高壓下冷凝，向環(huán)境或冷卻介質(zhì)放出熱量。因此，制冷循環(huán)由介質(zhì)汽化、蒸氣升壓、高壓蒸氣冷凝和高壓液體降壓這4個(gè)過(guò)程組成。丙烯制冷系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1(虛線為改造部分)。

來(lái)自低溫甲醇洗裝置的溫度為-38 ℃、壓力為0.13 MPa(絕壓)的丙烯氣體進(jìn)入丙烯分離器(V3151)，氣體中的液滴分離出來(lái)后進(jìn)入丙烯壓縮機(jī)(C3151)一段進(jìn)口，流量為25 049 m3/h(標(biāo)態(tài))。來(lái)自省功器(V3154)的溫度為-7 ℃、壓力為0.45 MPa(絕壓)的丙烯氣體進(jìn)入丙烯分離罐(V3152)，氣體中的液滴分離出來(lái)后進(jìn)入C3151二段進(jìn)口，流量為11 257 m3/h(標(biāo)態(tài))，然后與C3151一段出口氣體混合后進(jìn)入C3151二段進(jìn)口繼續(xù)壓縮，此時(shí)流量為36 306 m3/h(標(biāo)態(tài))。丙烯氣體經(jīng)壓縮后壓力升至1.88 MPa(絕壓)、溫度為91.6 ℃，然后依次進(jìn)入一級(jí)丙烯水冷器(E3151)、二級(jí)丙烯水冷器(E3152)，最終冷凝至40 ℃，冷卻介質(zhì)為循環(huán)冷卻水。

丙烯氣體通過(guò)循環(huán)冷卻水冷凝成液體后，靠重力自流排入丙烯收集槽(V3153)，出V3153的液體丙烯經(jīng)V3154后減壓至0.45 MPa(絕壓)、溫度降低至-7 ℃，丙烯蒸氣帶走熱量進(jìn)入V3152進(jìn)行氣液分離，液體丙烯分兩路分別進(jìn)入過(guò)冷器A(E3154A)的管程和殼程：殼程丙烯經(jīng)減壓并帶走管程丙烯的熱量后進(jìn)入V3151，進(jìn)行氣液分離；管程丙烯經(jīng)深冷至-20 ℃后，最終送至低溫甲醇洗裝置。

2 存在的問(wèn)題

在常溫、常壓下，丙烯與水不互溶。在丙烯制冷系統(tǒng)中，最低溫度為-45 ℃，若水混入丙烯中，并不會(huì)產(chǎn)生共溶物，而直接在低溫下結(jié)冰，進(jìn)而凍堵設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。若處理不及時(shí)，還會(huì)因結(jié)冰損壞設(shè)備，進(jìn)而擴(kuò)大損失。昊華國(guó)泰化工有限責(zé)任公司丙烯制冷系統(tǒng)就是存在上述問(wèn)題，在正常生產(chǎn)過(guò)程中，如果系統(tǒng)不慎進(jìn)水，直接在低溫區(qū)結(jié)冰，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行；另一方面，在系統(tǒng)停車過(guò)程中不慎進(jìn)水，系統(tǒng)開(kāi)車后，水會(huì)在過(guò)冷器A內(nèi)結(jié)冰積聚，最終將設(shè)備堵塞，同樣導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

圖1 丙烯制冷系統(tǒng)工藝流程

丙烯進(jìn)水的原因有很多，比如丙烯水冷器內(nèi)漏、補(bǔ)入丙烯自帶水分的積聚等，這些都是難以避免的。目前，國(guó)內(nèi)的丙烯制冷系統(tǒng)均存在與本公司同樣的設(shè)計(jì)缺陷，無(wú)法在線處理丙烯內(nèi)進(jìn)入的水。經(jīng)試驗(yàn)，一旦丙烯含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%左右，此類丙烯制冷系統(tǒng)將無(wú)法正常運(yùn)行。

3 結(jié)冰預(yù)防措施

對(duì)于目前國(guó)內(nèi)的丙烯制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，丙烯進(jìn)水會(huì)造成嚴(yán)重的后果，主動(dòng)杜絕水進(jìn)入丙烯是最恰當(dāng)、最有效的措施。結(jié)冰預(yù)防措施如下：①加強(qiáng)丙烯水冷器的檢測(cè)，保證丙烯側(cè)的壓力高于水側(cè)，防止循環(huán)水進(jìn)入丙烯系統(tǒng)；②定期對(duì)水側(cè)進(jìn)行可燃物分析，以檢測(cè)丙烯水冷器的內(nèi)漏情況；③遇到檢修等部分設(shè)備加水的情況，投用前必須盡可能多幾次取樣分析，以保證該設(shè)備徹底置換、干燥，露點(diǎn)達(dá)到-60 ℃后方可投用；④丙烯壓縮機(jī)停車后，必須保證丙烯系統(tǒng)保持正壓，必要時(shí)可通入氮?dú)?；⑤采用先進(jìn)的分析手段，保證系統(tǒng)所補(bǔ)充丙烯的質(zhì)量；⑥在丙烯壓縮機(jī)停車前，應(yīng)先停丙烯水冷器的循環(huán)水，并通過(guò)導(dǎo)淋將水排放。同樣，丙烯水冷器應(yīng)在丙烯壓縮機(jī)開(kāi)車完成并運(yùn)行穩(wěn)定后投用。

對(duì)于這套系統(tǒng)，雖然主動(dòng)采取了各種有效措施防止丙烯進(jìn)水，但不能排除意外進(jìn)水的情況發(fā)生。由此可見(jiàn)，對(duì)該套系統(tǒng)增加進(jìn)水后的保護(hù)措施是很有必要的。

加入一種既溶于水又溶于丙烯的介質(zhì)，使水可以與丙烯互溶并形成共溶物，這樣就能防止水在低溫下結(jié)冰。根據(jù)丙烯及水的物理性質(zhì)，可選擇甲醇作為此種中間物。丙烯、水、甲醇互溶后在常壓下冰點(diǎn)的測(cè)試情況見(jiàn)表1。

表1 丙烯、水、甲醇互溶后在常壓下冰點(diǎn)的測(cè)試情況

由表1可知：在相同水含量的情況下，甲醇含量越高，冰點(diǎn)越低；在相同甲醇含量的情況下，水含量越高，冰點(diǎn)越高。如果甲醇含量過(guò)高，冰點(diǎn)會(huì)急劇升高，畢竟在常壓下，純甲醇的冰點(diǎn)只有-97 ℃，而純丙烯的冰點(diǎn)為-185.3 ℃。如果水含量過(guò)高，則無(wú)法形成共溶物。另外，丙烯制冷系統(tǒng)最低點(diǎn)溫度約-45 ℃，即使甲醇含量很高，只要形成了共溶物，就能杜絕結(jié)冰凍堵的情況發(fā)生。

從理論上說(shuō)，甲醇含量越高，系統(tǒng)才越安全，但過(guò)高的甲醇含量會(huì)影響丙烯的制冷效果。不同甲醇及水含量下丙烯制冷效果見(jiàn)表2。

表2 不同甲醇及水含量下丙烯制冷效果

由表2可知：水含量及甲醇含量越高，制冷效果越差；當(dāng)甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25.0%時(shí)，丙烯制冷系統(tǒng)最低溫度居然只有-14.2 ℃。當(dāng)然，如果水含量過(guò)高，則沒(méi)有形成共溶物，丙烯制冷系統(tǒng)將無(wú)法運(yùn)行。

由此可見(jiàn)，靠形成共溶物防止水結(jié)冰的方法是有限度的。當(dāng)水含量較高時(shí)，為了將此部分水與丙烯形成共溶物，必須加入對(duì)應(yīng)含量的甲醇，這樣丙烯的制冷效果將受到很大影響。因此，此種方法僅適用于系統(tǒng)少量進(jìn)水的情況。

4 改造措施

根據(jù)原有設(shè)計(jì)，制冷系統(tǒng)啟動(dòng)后，丙烯壓縮機(jī)出口溫度約97 ℃，一級(jí)丙烯水冷器出口溫度約40 ℃，二級(jí)丙烯水冷器出口溫度約20 ℃，丙烯收集槽出口溫度約12 ℃、省功器出口溫度約7 ℃，過(guò)冷器A出口溫度約-26 ℃。由此可見(jiàn)，過(guò)冷器A出口溫度達(dá)到水的凝固點(diǎn)，且是整個(gè)制冷系統(tǒng)的溫度最低點(diǎn)。如果丙烯制冷系統(tǒng)意外進(jìn)水，在沒(méi)有保護(hù)介質(zhì)或者保護(hù)介質(zhì)不足的情況下，系統(tǒng)內(nèi)的水會(huì)逐漸在過(guò)冷器A內(nèi)積聚，因此，過(guò)冷器A能變相地過(guò)濾去除丙烯中的水分。如果增加1臺(tái)備用過(guò)冷器B，在系統(tǒng)進(jìn)水且保護(hù)介質(zhì)不足的情況下，待過(guò)冷器A過(guò)濾去除部分水后，再投用備用過(guò)冷器B，并清理原過(guò)冷器A內(nèi)的冰，如此循環(huán)，就能逐漸清理去除系統(tǒng)內(nèi)的水，并能維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。

根據(jù)此原理進(jìn)行以下改造：在原過(guò)冷器管程的入口管道閥前引出1根相同管徑的管道，進(jìn)入新增過(guò)冷器B管程。同樣，在過(guò)冷器A殼程的入口管道閥前引出1根相同管徑的管道，進(jìn)入新增過(guò)冷器B殼程。2臺(tái)過(guò)冷器均設(shè)有單獨(dú)的出、入口閥，方便清理冰時(shí)可相互切換。過(guò)冷器殼程頂部配低壓氮?dú)夤艿?，并在底部設(shè)排氣口，用于過(guò)冷器復(fù)熱；管程頂部設(shè)有氮?dú)夤艿?，用于吹除列管中的水及置換設(shè)備；最低點(diǎn)設(shè)導(dǎo)淋，用于過(guò)冷器復(fù)熱后管程排水(見(jiàn)圖1中虛線部分)。

改造完成之后，一旦系統(tǒng)大量進(jìn)水，可將過(guò)冷器A和過(guò)冷器B輪流使用，將被冰堵塞的過(guò)冷器殼程通入低壓氮?dú)?，從底部排氣?dǎo)淋排出，為該過(guò)冷器復(fù)熱。此時(shí)，過(guò)冷器管程底部排水導(dǎo)淋打開(kāi)，設(shè)備溫度達(dá)到0 ℃以上時(shí)，管程通入氮?dú)?，將列管中的水吹凈。除冰完成后投入使用，然后將另一臺(tái)過(guò)冷器切出，重復(fù)以上步驟，直到將系統(tǒng)中的水清除干凈。此方法操作方便、快捷，除水效率高，徹底解決了丙烯制冷系統(tǒng)大量進(jìn)水后無(wú)法正常運(yùn)行的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)時(shí)，一定要考慮到操作習(xí)慣及應(yīng)用環(huán)境的差異，對(duì)于不適合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)情況的部分應(yīng)及時(shí)作相應(yīng)修改。丙烯制冷系統(tǒng)引入國(guó)內(nèi)已多年，由于應(yīng)用比較成熟，各設(shè)計(jì)院并未對(duì)此做較大改動(dòng)，導(dǎo)致丙烯進(jìn)水后無(wú)法正常運(yùn)行成了此類裝置共同存在的設(shè)計(jì)缺陷，每年都有很多企業(yè)因?yàn)楸┻M(jìn)水而影響生產(chǎn)，造成了不同程度的損失。經(jīng)改造后，通過(guò)保護(hù)介質(zhì)與除水裝置的配合使用，該套丙烯制冷系統(tǒng)已經(jīng)不再受水含量的制約，杜絕了結(jié)冰凍堵事故的發(fā)生，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2016- 04- 17)