裂解氣壓縮機結構優化

賀宏偉（陜西延長石油延安能源化工有限責任公司 陜西省西安市 710075）

前言

乙烯是一種重要的化工基礎原料，其生產能力通常是衡量一個國家綜合國力的重要指標。隨著其需要量的逐漸增加，老的生產技術不斷得以完善、成熟，新的工藝技術不斷被開發出來，其中最重要的、生產能力最大的為蒸汽熱裂解工藝[1]，但近些年來研究重點正在向催化裂解方向發展，如MTO、ACO及DCC等。然而不管工藝技術如何發展更新，裂解氣壓縮機都將是其中一臺非常關鍵的設備。裂解氣壓縮機用于提高裂解氣的靜態焓和壓力[2]，以為后序分離提供足夠的能量，最終得到聚合級乙烯產品。為了保證后續分離技術要求，降低投資及操作費用，裂解氣壓縮機必須要有一個比較合理的結構。

一、ACO工藝裂解氣壓縮機

ACO工藝即Advanced Catalytic Olefins先進的催化制烯烴技術。它由KBR和SK公司共同開發，KBR全球專利授權。采用FCC流化床反應器，將石腦油等輕烴在SK專利催化劑作用下，生產乙烯和丙烯產品。其中裂解氣壓縮機流程簡圖如圖1所示。

圖1.ACO工藝中裂解氣壓縮機流程簡圖

由圖可以看出，該工藝中裂解氣壓縮機除了連接反應和分離部分之外，最后一段與脫丙烷塔系統構成了一個熱泵系統，起到節能降耗的作用。另外根據工藝包設計要求，開工時需由裂解氣壓縮機1-3段提供該裝置的吹掃用空氣。故其結構設置不同于傳統工藝技術，需要其結構進行優化以滿足工藝和操作要求。

根據工藝計算，要滿足后續分離所需壓力要求，并從壓縮機設計角度看，裂解氣壓縮機需要設置為四段壓縮。為了便于說明問題，裂解氣壓縮機的正常工況下主要參數列于表1中。

由表1可以看出，裂解氣壓縮機1至3段為常溫段，而第4段則為低溫段。對于空氣吹掃工況來說，吹掃空氣壓力應在0.85M Pa(A)左右，系統吹掃溫度不高于65℃。分析可知：只需1-3段壓縮空氣即可滿足吹掃要求，與工藝包要求一致。此外，由圖1可以看出裂解氣壓縮機第四段位于脫丙烷塔頂，介質清潔度較高，因此就存在壓縮機結構如何布置及第四段在空氣吹掃工況時如何運行的問題。

表1.裂解氣壓縮機正常工況時的主要參數

二、裂解氣壓縮機結構討論

根據工藝要求和操作性要求，在此將對各種可能性結構配置方案進行分析對比，以找出最優化結構，滿足各方面要求。

1.四段兩缸結構

裂解氣壓縮機采用四段兩缸結構時，壓縮機配備了高壓缸和低壓缸兩個缸體。但此配置又可以分為兩種配置方式：3+1和2+2方式。3+1即一、二和三段共用一個缸體，作為低壓缸，而第四段單獨用一個缸體，作為高壓缸。其布置方式為透平+低壓缸+高壓缸。2+2方式則為一段和二段共用一個缸體，作為低壓缸，而第三段和第四段共用一個缸體，作為高壓缸。其布置方式也為透平+低壓缸+高壓缸。兩種方式的示意圖如下：

圖2.四段二缸結構布置圖

2.四段三缸結構

當裂解氣壓縮機采用四段三缸結構時，壓縮機配備了高壓缸、中壓缸和低壓缸三個缸體。此配置采用2+1+1布置方式，但該布置又可以分為兩種形式：一段單獨使用一個缸體，作為低壓缸，二段和三段共用一個缸體，作為中壓缸，四段也單獨使用一個缸體，作為高壓缸；一段和二段共用一個缸體，作為低壓缸，三段和四段分別單獨使用一個缸體，分別作為中壓缸和高壓缸。但兩者布置方式相同，均為透平+中壓缸+低壓缸+高壓缸。其各示意圖如下：

圖3.四段三缸結構布置圖

3.結構分析

對于 3+1方案，1，2和3段共用一個低壓缸，使得低壓缸體積比較龐大，占地面積大，成本高，運行過程中，轉速較高，但是效率較低，運行穩定性較差，同時也會給運輸和安裝帶來一定的困難。與其它方案相比，其它方案均優于該方案。但是第4段單獨設置，可以滿足1，2，3段提供吹掃空氣的操作要求。

對于2+2方案，1、2和3、4段分別共用一個缸體，整體比較均勻，不會存在3+1方案里面低壓缸一頭過大的問題，結構也比較緊湊，軸向推力較小，效率高，結構較經濟合理且能滿足A C O工藝要求，對于正常工況運行非常有利。但是對于空氣吹掃和正常運行工況來說存在以下問題：（1）高壓缸內第三段組分雜質含量高，第四段組分比較清潔，三四段同在一個缸內設置，存在污染的問題；（2）第四段是低溫段（-40℃），第三段是常溫段，如果兩段同在一個缸內設置，材質必須采用低溫鋼，價格昂貴；（3）設計制造較為復雜；（4）吹掃成本升高，無法滿足四段斷開運行的吹掃工藝要求。

對于兩種2+1+1方案而言，均把第四段單獨作為一個缸體，其最主要的區別就是中壓缸的分配問題，即2段是并入低壓缸還是高壓缸的問題。兩種布置方式均有利于消除軸向推力。但相比于將2段并入低壓缸來說，將2段并入中壓缸，可以使各缸結構更均勻，其原因是氣體在各段內升壓并在段間冷凝時有部分氣體冷凝，體積逐步減少，2段和3段合并有助于降低低壓缸體積。從工藝和操作角度看，可以滿足前三段提供吹掃空氣的要求，也不存在泄漏而污染第四段的隱患。

從上述分析可以看出，單從工藝角度來說，均可以滿足工藝要求。四個方案中，只有2+2方案沒有把第4段單獨作為一個缸體，存在工藝污染方面的風險，其它三個方案均把4段單獨設置，有利于保證物料的清潔度。但3+1方案的弊端是顯而易見的，結構配置比較差。只有2+1+1方案即可以很好地滿足工藝要求，也可以滿足操作要求，優勢很顯示。另外，在空氣吹掃過程中，只需前三段提供壓縮空氣，即可滿足需求。如果第四段同時也在運行，則需要提供清潔的氮氣作為壓縮介質，這樣操作不僅增加了能耗，而且也增加了氮氣消耗，從而提高了操作費用。因此需要有一種特殊設計，以便在吹掃階段可以把第四段拆除，只運行前三段，以節能降耗。對于這樣的設置來說，在第4段拆開后，2段并入低壓缸可以平衡掉更多軸向推力，更有利于操作和設備安全。

結論

綜上所述，從工藝要求、操作要求、運行性能和能耗方面對四種可能性方案進行了分析研究，最終選定2+1+1（高壓缸(4段)低壓缸(1,2段) 中壓缸(3段)）方案為最優方案，并且在空氣吹掃時，4段斷開運行，以降低成本。

[1]曲巖松,高春雨,楊秀霞,中國乙烯工業路在何方,9,9-14(2012).

[2]Li,J.H.,“Technical measures to inhibit coking of cracking gas compressor”,Journal of Chemical Industry ＆ Engineering,31(4),46-48(2010).