乙烯蒸發器凝液系統的改善

李紅花，朱志勇，李 闖

（天津樂金渤海化學有限公司天津300452）

天津樂金渤海化學公司的氯乙烯裝置采用平衡氧氯化技術，主要有氧氯化、直接氯化、二氯乙烷精制、二氯乙烷裂解和氯乙烯精制等核心生產工序。主要原料為氧氣、氯氣和乙烯。其中，氯氣來自本公司的燒堿裝置，氧氣由外部的氣體工廠提供，乙烯則從國外進口。

1 乙烯罐區系統介紹

低溫液體乙烯先由運輸船定期運至碼頭，通過船上的泵經卸船臂、長輸管道（2 km）送至廠區內的低溫乙烯貯罐（雙層結構，內罐容積為20 000 m3），貯存在低溫貯罐中的液體乙烯經輸送泵送至乙烯蒸發器，在此液體乙烯被加熱變成氣相，氣相乙烯最終輸送到氯乙烯裝置，供氧氯化和直接氯化等工序使用。

乙烯罐區系統的設備吸收外部熱量，使得乙烯儲罐中的液體乙烯溫度上升并有氣相蒸出，從而使罐壓升高。為保持貯罐處于低溫運行且不超壓，需要用BOG（即Boil out gas）處理系統和冷凍壓縮機系統來移走熱量。從貯罐出來的氣相經入口罐送到BOG壓縮機系統壓縮，升壓后的氣相乙烯再經水冷器、深冷器被冷凝成液相送至乙烯受液罐，受液罐中的液相乙烯再被送回低溫乙烯貯罐，從而確保其保持低溫。在乙烯用戶運行時，經BOG壓縮機升壓的氣相乙烯也可直接送至用戶，以節約乙烯蒸發所需的熱量。深冷器的制冷劑為由丙烯冷凍機組提供的丙烯。

在沒有卸船作業時，為防止長輸管線中的液體乙烯吸收外部熱量而使管線壓力升高，需要用冷凍泵將貯罐中少量的液體乙烯送至長輸管線的遠端，再經長輸管線回到罐中，利用此循環完成對長輸管線的冷卻。生產異常時，乙烯系統的放空氣及丁烷蒸發器的放空丁烷都送至地面火炬燃燒處理。乙烯罐區系統流程簡圖見圖1。

2 乙烯蒸發器系統的存在問題

乙烯罐區的乙烯蒸發器共2臺，同時運行，單臺乙烯蒸發能力為13.5 t/h。該蒸發器的結構設計不同于普通氣化器，采用的是乙烯蒸發管束和丁烷蒸發管束置于同一殼體內的聯合結構設計。丁烷蒸發管束位于殼體的下部，乙烯蒸發管束位于殼體的上部，殼體內充裝一定量的丁烷液體，運行時丁烷的液位要高于丁烷蒸發管束。其工作原理為，丁烷蒸發器管程內通入0.4 MPa的低壓蒸汽，使殼程內的丁烷液體被加熱氣化，丁烷蒸氣上升，與上部的乙烯蒸發管束接觸，利用丁烷再次液化的潛熱將管束中的液體乙烯氣化。采用這種間接加熱蒸發乙烯的設計，避免了蒸汽直接加熱液體乙烯溫差大、對設備材質要求高的問題。外送乙烯氣體的蒸發量可以通過設定丁烷殼程的壓力來控制蒸汽調節閥開度進行調節。即在不同壓力下，丁烷的氣化量不同，再次液化時的潛熱也不同，從而達到調節乙烯氣體的蒸發量的目的。乙烯蒸發器設備示意圖見圖2。

該公司氯乙烯裝置于2007年4月開車后，發現乙烯蒸發器的蒸汽凝液無法正常返回至凝液系統，為了保障氣相乙烯的正常供給，凝液只好現場排至廠內雨排系統，導致蒸汽和凝液系統的不平衡，需要額外加大脫鹽水的補加量。相應地，鍋爐水系統的處理藥劑消耗也高于設計量，并且凝液的熱量也沒能得到回收，造成了巨大的浪費。

造成以上問題的原因為該處的蒸汽處于蒸汽管網的末端，本身的壓力較低，形成凝液后的壓力低于低壓蒸汽凝液管網的壓力，再加之該凝液返回凝液管網的管線較長，使得凝液無法正常返回。

3 改善方案

3.1 初步改善方案

將原來疏水器更換成包括貯水緩沖罐、凝液疏水泵的回收系統，并從臨近的蒸汽管網引出0.7 MPa的中壓蒸汽作為凝液疏水泵的動力蒸汽。凝液疏水泵的工作原理分為如下幾步。

（1）充水。在充水過程中，蒸汽進口閥和泵出口止回閥關閉，泵排汽閥和泵進口止回閥開啟。凝液疏水泵的聯動機構處于低位，泵內無壓。

（2）開始壓送。浮球隨著凝液的流入而上升至排水點，凝液疏水泵的聯動機構動作到高位，泵內帶壓，閥門全部處于第一步的相反位置。

（3）結束壓差。隨著凝液的排出，浮球下降，直至凝液疏水泵的聯動機構動作到低位，泵內壓力釋放，保留水封。

（4）重新充水。蒸汽或空氣進口及泵出口止回閥重新關閉，排氣閥和進口止回閥開啟，重新進入充水狀態，重復動作過程。

在泵前增加了貯水緩沖罐和溢流管線，以確保蒸發器的排凝是連續的，并且在疏水泵出現故障不能及時輸送凝液時，可以通過溢流確保乙烯蒸發過程不受干擾。凝液疏水泵系統圖見圖3。

按設計100%負荷時，2臺蒸發器的蒸汽用量為9.0 t/h，故安裝了2套額定輸送能力為5 t/h的凝液疏水泵。經過近一年的運行，證實本次改造基本實現了回收凝液并保障乙烯蒸發系統安全運行的目標。

2008年8月，氯乙烯裝置進行了生產能力的提升改造。改造后的生產能力約為原設計的115%。由于原料氣相乙烯的需求量增加，乙烯蒸發器系統蒸汽用量加大，凝液輸送量也隨之增加。原來增加的凝液疏水泵表現出能力不足，尤其是進入冬季后，溢流量更大。造成以上現象的原因如下。

（1）乙烯蒸發器的負荷隨擴能而升高，2臺蒸發器的蒸汽用量約為10.5 t/h，已經超過了蒸汽凝液泵的額定輸送量；

（2）凝液疏水泵系統的保溫不好，在冬季時，動力蒸汽進入泵體后，大部分蒸汽冷凝，使得動力蒸汽的做功效率下降，表現為冬季時溢流量比較大；

（3）由于動力蒸汽凝水嚴重，使得對泵體的內件有一定的氣蝕沖擊，加之中壓蒸汽本身壓力又略高于凝液疏水泵的工作壓力，從而加劇了這種沖擊，造成了凝液泵中部分內件因氣蝕有一定程度的損壞，密封變差，影響了泵的工作效率。

3.2 方案的完善

（1）增加1根動力氮氣線，正常采用氮氣作為輸送動力。由于氮氣為不凝氣體，大大提高了做功效率；蒸汽動力線作為故障時備用線。

（2）更換損壞的內件，并在動力線上增加減壓閥，將動力氣的入泵壓力調至泵的工作壓力，減少其對內件的沖擊，確保內件的密封性，保證泵的工作效率。

（3）泵的工作過程具有周期性，在一個工作周期內完成充水、加壓輸送、排氣、再充水等步驟，內輸送的水量即為泵的容量，這個容量是固定的，無法改造。通過增加接管并將泵入口罐的溢流管線提高的方法，提高了泵入口的壓頭，縮短了泵完成充水步驟的時間，間接提高了泵的輸送能力。

（4）改善保溫條件，保障在使用蒸汽動力時的做功效率，在回收水的同時，更多地回收熱量。改進后的凝液疏水泵系統圖見圖4。

4 改進效果

通過改善回收蒸汽凝液約為10.5 t/h，即在蒸汽凝液系統中，可以減少脫鹽水的補加量為10.5 t/h。該公司自處理脫鹽水的成本約為12.6元/t（含折舊），故僅水費節約金額為132.3元/h，按年操作時間8 000 h計，年節約費用為105.8萬元。

根據現場實測，凝液的溫度為80℃左右。改造前，額外補加的10.5 t/h脫鹽水溫度約為20℃左右，在進入除氧器時需要用蒸汽進行加熱。即熱量回收方面，節約了用于加熱補加脫鹽水的蒸汽用量。80℃水和20℃水的焓差約為251 kJ/kg，即回收的熱量約為2 635.5 MJ/h，經計算該熱量折算成蒸汽約為1 250 kg/h。該公司的蒸汽主要依靠鍋爐燃燒燒堿裝置的副產氫氣，需求差量靠燃燒天然氣得到。按照燃燒天然氣產生蒸汽來計算蒸汽成本，蒸汽的成本約為190元/t，故熱量方面的節約金額為237.5元/h，按年操作時間為8000h計，年節約費用為190萬元。

動力由蒸汽改為氮氣，以及鍋爐水系統處理藥劑量的減少也節約一定的費用，金額較小，可忽略不計。綜上，年總節約費用為295.8萬元。