陳 彪，王 辰

(1. 惠生工程(中國)有限公司, 北京 100102； 2. 中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

液化石油化工裝置的分離單元是整個裝置的主要能耗所在。分離過程中最有效的液液分離方法是精餾。為了有效減少裝置的能耗，越來越多的精餾選用熱泵精餾技術(shù)。熱泵精餾是利用補償或消耗機械功，提高精餾塔塔頂?shù)牡蜏責崦狡肺?，并將其作為塔釜再沸器的熱源，實現(xiàn)塔頂、塔釜熱量的綜合利用技術(shù)。熱泵精餾節(jié)能效果與經(jīng)濟效益顯著，在丙烷/丙烯【1】、正丁烷/異丁烷【2】等分離體系中有良好的應用。

熱泵壓縮機是熱泵精餾的最核心設備。已有文獻大多研究相關(guān)工藝，對設備方面的研究較少。本文主要是依托國內(nèi)某化工裝置中混合C4(丁烷和異丁烷)的熱泵精餾，對熱泵壓縮機選型進行分析討論。

1 項目背景

某裝置中采用混合C4及石腦油作為乙烯裂解原料，其中混合C4的主要成分是69%(mol，%)的正丁烷和30%(mol，%)的異丁烷。為了獲得更高的經(jīng)濟效益， 需要對C4原料進行精餾獲得高濃度的正丁烷以及異丁烷， 其中正丁烷進入裂解爐裂解產(chǎn)生乙烯， 異丁烷外賣作為其他裝置的原料。

根據(jù)工藝系統(tǒng)的核算，并考慮綜合能耗問題，該項目采用了熱泵精餾技術(shù)，需要把塔頂氣(主要是異丁烷，mol含量達到95.5%)由0.3 MPa(絕)壓縮至0.78 MPa(絕)，并利用壓縮后的熱氣作為塔底再沸器的熱源；換熱后的冷凝液經(jīng)離心泵增壓，一部分返回塔頂節(jié)流作為塔頂?shù)睦湓矗Ｓ嗖糠之惗⊥樗统鼋鐓^(qū)。該壓縮機的其他參數(shù)為：氣量15 000 m3/h(入口狀態(tài))，入口溫度20 ℃，采用汽輪機驅(qū)動。簡易熱泵精餾流程見圖1。

圖1 簡易流程

2 熱泵壓縮機選型

對于以上工藝參數(shù)，石油化工行業(yè)較常用的壓縮機機型有離心式、無油雙螺桿式和臥式對稱平衡往復式3種，以下分別進行介紹。

2.1 離心式壓縮機

2.1.1 機型

離心式壓縮機屬于透平式壓縮機【3】，其通過葉輪的旋轉(zhuǎn)對氣體進行做功，增加氣體流速的同時，使其壓力也有所提高。高速氣體在擴壓器中將速度能轉(zhuǎn)變成壓力能，因此壓力升高主要是在擴壓器中實現(xiàn)的。

該型式壓縮機的設計遵循API 617標準。

其優(yōu)點為排氣量大、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、運行平穩(wěn)可靠、連續(xù)運轉(zhuǎn)時間長且噪音小。

缺點為：1)對介質(zhì)中的固體顆粒及液滴非常敏感；2)存在喘振工況，需要配置一套復雜的防喘振系統(tǒng)；3)調(diào)節(jié)范圍較窄，變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時一般為80%～105%；4)裝置在低負荷運行時，需要回流操作(防喘振閥開關(guān)實現(xiàn)負荷調(diào)節(jié))；5)一次投資成本較高。

2.1.2 選型結(jié)果

離心式壓縮機可以選用一段四級壓縮，水平剖分，葉輪直徑520 mm，汽輪機驅(qū)動；轉(zhuǎn)速7 536 r/min(汽輪機和壓縮機采用聯(lián)軸器直連)，變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)僅能實現(xiàn)在88%～105%操作，更低負荷需要通過防喘振閥實現(xiàn)；軸功率為1 800 kW；排氣溫度為58 ℃；為檢修時不拆卸管路，要采用下進下出的布置，需要設置二層平臺。其主要配置包括獨立的潤滑油站(符合API 614標準)、帶中間迷宮的串聯(lián)干氣密封(符合API 614標準)、防喘振閥及防喘振儀表、機組控制系統(tǒng)(CCS，主要包含潤滑油系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、性能調(diào)節(jié)、防喘振控制及調(diào)速等)。

2.2 往復式壓縮機

2.2.1 機型

往復式壓縮機是一種容積式壓縮機【3】，其壓縮容積由氣缸與活塞組成，由曲柄連桿機構(gòu)將驅(qū)動機的回轉(zhuǎn)運動變?yōu)榛钊耐鶑瓦\動?；钊跉飧變?nèi)作往復運動，在氣缸內(nèi)完成吸氣、壓縮、排氣、膨脹過程。吸、排氣閥控制氣體進入和排出氣缸。曲軸側(cè)的氣缸端部設置有填料函，以阻止壓縮氣外泄?；钊系幕钊h(huán)阻止活塞兩側(cè)氣缸內(nèi)氣體的互相穿泄。

較常用的往復式壓縮機有臥式對稱平衡型和立式迷宮型兩種，其中立式迷宮型多用于低溫(如低溫乙烯BOG壓縮機等)及介質(zhì)中含有顆粒(如聚乙烯裝置中的排放氣回收壓縮機等)等場合，價格較高，不宜在該裝置中應用。往復式壓縮機的負荷調(diào)節(jié)可以通過頂開吸氣閥+旁路方式或者余隙調(diào)節(jié)方式(該方式成本較高)實現(xiàn)。

該型式壓縮機的設計遵循API 618標準。

其優(yōu)點為：1)可實現(xiàn)的壓縮比(簡稱壓比)高；2)適用于小氣量輸送。

缺點為：1)氣量不宜過大。2)機構(gòu)復雜，運動部件多，易損件多；需要設置備機，一次投資較高。3)壓縮過程中，氣流有脈動，需要設置脈動抑制器并進行脈動核算以降低壓縮機上、下游管路的脈動。4)占地大。5)對介質(zhì)中的液滴非常敏感；臥式機組對介質(zhì)中的固體顆粒非常敏感。

2.2.2 選型結(jié)果

往復式壓縮機僅需要一級壓縮就可以實現(xiàn)所需的壓比；如果采用雙一級(機型為2D32)，活塞直徑將會超過1 000 mm，機組的加工和裝配較困難，國產(chǎn)機組應用業(yè)績較少；如果采用4個氣缸壓縮，雖然活塞的直徑可以降下來(800 mm左右)，但是單臺機組的占地將會很大。所以，往復式壓縮機在該工況下不宜選用。

2.3 無油雙螺桿式壓縮機

2.3.1 機型

螺桿壓縮機通常是指雙螺桿壓縮機，是一種回轉(zhuǎn)容積式壓縮機【4】。螺桿壓縮機在工作時，陰、陽轉(zhuǎn)子與氣缸體之間形成腔室，通過轉(zhuǎn)動的方式使腔室容積變小，從而實現(xiàn)對氣體的壓縮。該機型存在內(nèi)壓比和外壓比，其中內(nèi)壓比為轉(zhuǎn)子內(nèi)腔體容積變小實現(xiàn)的壓力比值；外壓比為工藝流程所需要的進、排氣管路壓力比值。

雙螺桿壓縮機分有油雙螺桿壓縮機和無油雙螺桿壓縮機。有油雙螺桿壓縮機，在壓縮機腔內(nèi)注入潤滑油；通過陽轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動陰轉(zhuǎn)子，潤滑油在陰、陽轉(zhuǎn)子間建立油膜，可以起到密封和潤滑作用。無油雙螺桿壓縮機陰、陽轉(zhuǎn)子之間不接觸，存在微小的間隙，其傳動靠后端的同步齒輪實現(xiàn)。有油雙螺桿壓縮機負荷調(diào)節(jié)可以通過滑閥+旁路方式或旁路調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)；由于無油雙螺桿壓縮機無法安裝滑閥機構(gòu)，因此負荷調(diào)節(jié)通過旁路方式或變轉(zhuǎn)速+旁路方式實現(xiàn)。

無油雙螺桿壓縮機又分成干式和噴液兩種。干式螺桿壓縮機在壓縮過程中沒有液體內(nèi)冷卻和潤滑，其排氣溫度較高、單級壓比小，對軸承和軸封的要求較高。噴液螺桿壓縮機是為了降低干式螺桿壓縮機的排氣溫度、提高單級排氣壓力、向壓縮機進氣腔噴液的無油雙螺桿壓縮機；其噴入的介質(zhì)一般為脫鹽水、柴油、壓縮機出口凝液或不會污染工藝介質(zhì)的物料。

基于該項目潤滑油會污染工藝介質(zhì)的特點，不能選用有油雙螺桿壓縮機；而塔底再沸器中需要利用壓縮機出口工藝介質(zhì)的熱量，不宜噴液降低出口溫度。所以，該項目僅考慮采用無油干式雙螺桿壓縮機。

該型式壓縮機的設計遵循API 619標準。

其優(yōu)點為：1)能夠適應液滴、粉塵、焦油甚至催化劑顆粒等雜質(zhì)；2)無喘振工況，變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時調(diào)節(jié)范圍較寬，一般在50%～105%之間；3)投資成本較低。

缺點為：1)存在內(nèi)、外壓比，需要對內(nèi)、外壓比進行嚴格計算，否則可能會導致過壓縮或欠壓縮，此時會伴隨強烈的周期性排氣噪音，嚴重時可能會引起機組振動；2)如果采用非變轉(zhuǎn)速電動機驅(qū)動，僅能通過旁路方式實現(xiàn)負荷調(diào)節(jié)，壓縮機一直處在滿負荷狀態(tài)，能耗浪費較大；3)該機型噪音較高，需要設置進/排氣消音器，如有必要應設置隔音罩。

2.3.2 選型結(jié)果

無油干式雙螺桿壓縮機所選機型的轉(zhuǎn)子直徑為510 mm，汽輪機驅(qū)動；壓縮機轉(zhuǎn)速為2 760 r/min(汽輪機轉(zhuǎn)速較高，在10 000 r/min左右，需要在汽輪機和壓縮機之間設置減速箱以達到壓縮機轉(zhuǎn)速)，變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)50%～105%操作，更低的負荷需要通過旁路閥實現(xiàn)；軸功率為 1 690 kW；出口溫度為57 ℃。其主要配置包括獨立的潤滑油站(符合API 614標準)、帶中間迷宮的串聯(lián)干氣密封(符合API 614標準)、機組控制系統(tǒng)(CCS，主要包含潤滑油系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、回流控制及調(diào)速等)。該機型可以實現(xiàn)上進上出、地面布置，可以減少壓縮機廠房的設置。

3 氣體等熵壓縮特性分析

精餾單元所處理的氣體分子量較大，在壓縮的過程中可能存在液化現(xiàn)象。在用的大多數(shù)熱泵壓縮機無法適應帶液問題，因此需要對氣體等熵壓縮特性進行分析。為方便比較，本文選取3種典型的輕烴進行分析，分別為：丙烷、正丁烷(正丁烷和異丁烷物性相近)和正戊烷。在常壓0.101 MPa(絕)和對應飽和溫度的狀態(tài)下，隨著分子量的增加，氣體的非理想性增大。為此，本文借助化工過程模擬軟件SIMSCI PROII進行實際氣體的計算。所采用的熱力學方法為適用于輕烴的SRK狀態(tài)方程。

模擬所得的結(jié)果見圖2～圖5。

圖2 丙烷絕熱壓縮溫度與飽和溫度的關(guān)系

圖3 正丁烷絕熱壓縮溫度與飽和溫度的關(guān)系

圖4 正戊烷絕熱壓縮溫度與飽和溫度的關(guān)系

由圖2可以看出：丙烷在絕熱壓縮過程中，壓縮后的溫度始終大于對應壓比下的飽和溫度，因此壓縮過程中不存在液化現(xiàn)象。由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)：正丁烷和正戊烷從飽和狀態(tài)開始壓縮時，隨著壓比的增大，壓縮后的溫度與對應壓力下的飽和溫度完全重合，因此壓縮過程存在液化現(xiàn)象。圖5則更直觀地反映出：從丙烷至正戊烷，在相同壓比下，隨著分子量的增大，絕熱壓縮產(chǎn)生的液化率隨之增大；且壓比越大，液化率越高。

圖5 不同壓縮比下絕熱壓縮液化率

分析不同氣體壓縮液化特性，不僅能夠了解壓縮過程中的物理變化過程，更有利于指導壓縮機類型的選擇。常規(guī)的往復式壓縮機和離心式壓縮機受機型結(jié)構(gòu)的限制，較難適應氣體中的液滴。因此，在飽和C4及以上的重烴氣體壓縮時，需要選用能耐受液滴的壓縮機類型，如螺桿壓縮機；或者將氣體在壓縮機的入口進行一定程度的過熱，使其壓縮后的溫度超過對應壓力的飽和溫度，避免液滴對壓縮機造成損害。但這將使氣體實際體積流量增大，從而導致壓縮機功耗增加且需要增大機型。此外，壓縮機的效率越高，其壓縮后的液化現(xiàn)象越明顯，因此，對于不耐受液滴的壓縮機而言，效率越高，液體損害壓縮機的可能性越大。如果選用離心式壓縮機，應犧牲部分效率，減少壓縮液化所帶來的影響。

4 結(jié)語

通過詳細的論證，該化工裝置最終選用了無油干式雙螺桿壓縮機。壓縮機殼體徑向剖分，進、出口為上進上出。但受到裝置占地的影響，設置了二層平臺；壓縮機撬塊布置在二層平臺上，獨立的潤滑油站布置在二層平臺正下方。

在熱泵精餾過程中，塔頂氣壓縮機的壓比都不是很高， 綜合一次投資成本、 運營成本、 操作的簡便性及可靠性， 在流量及壓力允許的情況下， 熱泵壓縮機應優(yōu)先選用無油干式雙螺桿壓縮機。但在化工裝置中熱泵精餾的組分有多種， 在實際應用中， 應綜合考慮原料的物性、 相關(guān)操作條件以及裝置的特點等不同特征， 選擇最合適的壓縮機型。