淺析冷箱分離系統降溫過程及氫氣膨脹機的作用

孫石橋，榮艷蓉，李德新

(杭州制氧機集團股份有限公司，浙江 杭州 310014)

1 前 言

采用UOP的Oleflex工藝的丙烷脫氫裝置冷箱分離系統，換熱分離所需的冷量主要來自丙烷進出冷箱的汽化潛熱(約占整個冷箱分離系統冷量的95%)，即進入冷箱為液態丙烷，出冷箱為丙烷與氫氣混合后的氣態聯合進料。文章簡述了冷箱分離系統投運過程，對冷箱分離系統降溫過程進行分析，并選取冷箱分離系統中低溫區制冷換熱流程進行分析，闡述膨脹機在冷箱分離系統中的作用。

2 冷箱分離系統投運過程

2.1 冷箱干燥、置換

原料氣導入冷箱前，必須用氮氣對冷箱內容器、設備及管道進行徹底吹掃，確保露點≤1×10-6。露點達到要求后，將H2/C3H8=1(摩爾比)原料氣導入冷箱內置換吹掃(隨著氣量的增加、壓力的提高，冷箱內會小幅度的降溫)；要求冷箱內所有設備通道及管路都徹底吹掃，排凈殘留的氮氣(氮氣含量小于1%)。再次檢測冷箱內氮氣含量、冷箱內露點達到要求后，可往冷箱內導入液體丙烷。

2.2 丙烷導入冷箱

丙烷經進料冷卻器E103冷卻后分成兩路，一部分丙烷經二級冷卻器E102冷卻，再返回二級冷卻器E102中與循環氫氣預混合；另一部分丙烷與二級冷卻器E102來的預混合后的物流充分混合后去冷聯合進料換熱器E101。在將丙烷引入冷箱內時，應先往二級冷卻器E102引入丙烷，增長丙烷的汽化路徑，視降溫情況對進料量進行調整。

隨著冷箱內導入丙烷量的增加，冷箱內溫度進一步降低，閃蒸罐D103內的液體也加速積累，當高壓分離器D101、二級冷卻后氣液分離器D102、閃蒸罐D103等內積有一定液體后，應適時開啟各分離器底部的排放閥，排放液體、將分離器內可能積存的細小顆粒排放干凈。當閃蒸罐D103內液體積累至50%以上液位時，具備開啟液體泵P101的條件。圖1為冷箱分離系統工藝流程簡圖。

E101.冷聯合進料換熱器；E102.二級冷卻器；E103.進料冷卻器；K101.高壓膨脹發電機組；K102.低壓膨脹發電機組；D101.高壓分離器；D102.中壓分離器；D103.閃蒸罐；P101.液體泵

2.3 液體泵投運

在往冷箱內引入丙烷換熱降溫的同時，應做好液體泵P101的開啟準備工作，泵的啟動條件確認、預冷等工作，當閃蒸罐D103內液體積累至50%以上液位時，開啟液體泵P101，視進入冷箱內丙烷量的增大調節匹配送出液體產品，反應器流出物經二級冷卻器E102冷卻后溫度逐步降低。

2.4 膨脹發電機組投運

反應器流出物經二級冷卻器E102冷卻后的溫度低于-40℃，且冷箱分離系統換熱穩定的情況下，可以依次投運高、低壓膨脹發電機組。

2.5 提高運行負荷

全關高、低壓膨脹發電機組的旁通閥，視上下游工藝運行負荷，逐步關小液體泵的回流閥直至全關，使各參數往工藝設計參數靠近，提高冷箱分離系統的運行負荷。

3 冷箱分離系統降溫過程的分析

3.1 丙烷與氫氣混合降溫原理

氫氣基本物理性質：化學式為H2，氫氣是世界上已知的密度最小的氣體，氫氣的密度只有空氣的1/14。0℃時，一個標準大氣壓下，氫氣基本物理性質如表1所示。

丙烷基本物理性質：三碳烷烴，化學式為C3H8。0℃時，一個標準大氣壓下，丙烷基本物理性質如表1所示。在冷箱分離系統中，丙烷與氫氣混合組成聯合進料提供低溫的冷源。丙烷與氫氣混合降溫的過程示意如圖2。

表1 氫氣和丙烷的基本物理性質

圖2 H2與C3H8混合降溫圖解

1 kmol H2(-20℃、500 kPa、過熱氣體)與1 kmol C3H8(-20℃、500 kPa，過冷液體)混合，混合開始時氣相中C3H8的分壓力為0 kPa，而氣液相界面的分壓力遠遠大于氣相中的分壓力，故C3H8會汽化，隨著C3H8的汽化，氣相中C3H8濃度增高、其分壓力逐漸增高，同時，微量的H2被C3H8吸收，達到氣液相平衡。由于汽化了的C3H8遠大于被吸收的H2，根據能量守恒，C3H8汽化吸收了熱量，只能是混合物質的溫度降低，由于這種狀態下C3H8的汽化潛熱430 kJ/kg遠遠大于其定壓比熱2.274 kJ/kg，且C3H8[500 kPa(A)時為1.59℃]和H2[500 kPa(A)時為-246.1℃]的沸點差太大，故在此條件下丙烷與氫氣混合的溫度能降低至-47.91℃。

3.2 冷箱分離系統降溫過程

丙烷引入冷箱內降溫過程：換熱所需的冷量主要由液體丙烷與氣體組分(主要是氫氣和丙烷)混合后逐步汽化獲得，混合后降低丙烷氣相分壓，丙烷部分汽化吸熱后降低混合物流的溫度，混合后的低溫物流(有相當一部分丙烷)在板翅式換熱器中汽化制冷，冷卻反應器流出物，經過循環冷卻降溫，分離出的液體送往閃蒸罐，分離出的氣體組分中氫氣含量逐步升高，更有利于丙烷與氣體組分的混合降溫及汽化制冷。

液體泵開啟后冷箱內降溫過程：隨著液體泵的投運，液體產品逐步經進料冷卻器復熱送出冷箱，這樣使得丙烷在經進料冷卻器后得到了冷卻，丙烷再經二級冷卻器冷卻后，丙烷與出二級冷卻器冷卻分離后的氣相物流混合，混合后組分的溫度進一步降低，經過循環冷卻降溫，反應器流出物、丙烷在二級冷卻器被冷卻至低于-40℃溫度，具備開啟膨脹機的條件。

膨脹機開啟后冷箱內降溫過程：隨著高低壓膨脹機組的投運，經二級冷卻器冷卻分離后的氣相物流經高低壓膨脹機組等熵膨脹，一方面所產生的冷量又帶回二級冷卻器，另一方面經高低壓膨脹機組等熵膨脹后的氣相物流溫度降低，低溫的氣相物流與經二級冷卻器冷卻后的丙烷混合后獲得更低溫度的聯合進料；隨著丙烷進冷箱量的增加，冷箱分離系統的負荷加大，不斷的循環冷卻、混合，反應器流出物被冷卻至更低的溫度。

3.3 冷箱分離系統降溫分析

從上述3步降溫過程能看出冷箱分離系統降溫遵循兩個原理：

膨脹機投運前，主要是利用丙烷與氫氣混合降溫，丙烷與氫氣混合后汽化提供冷量；不斷循環提供冷卻反應器流出物所需的溫度、冷量。

在膨脹機組投運前，隨著丙烷進冷箱量的增加，無論在對冷箱分離系統熱負荷模擬平衡計算，還是實際開車的過程中，60%的負荷下只能將冷箱分離系統中的反應器流出物冷卻到～-50℃。顯然單靠丙烷與氫氣混合降溫和汽化制冷是達不到更低溫度用以冷卻分離反應器流出物獲得合格液體、氣體產品。

隨著氫氣與丙烷混合前溫度的降低，氫氣的過熱度減少，丙烷的過冷度增大；由于氫氣的熱容數倍于氣態丙烷、液態丙烷熱容；依據Q=Cp×ΔT，可知Cp一定，ΔT減少，Q減少。因此隨著混合前氫氣與丙烷溫度的降低，所需汽化的丙烷量隨之減少，氣體中的丙烷分壓也隨之降低，一定壓力對應一定的飽和溫度，因此隨著氣體中丙烷分壓的降低，達到飽和狀態的混合組分的溫度也降低。

氫氣與丙烷混合是一種較為復雜的傳熱傳質過程，兩者混合達到氣液平衡飽和狀態后，必然是過熱的氫氣被冷卻，過冷的丙烷部分被汽化。汽化了的丙烷達到飽和狀態過程所釋放的冷量，用以冷卻氫氣、氣態丙烷、液態丙烷達到平衡飽和狀態。

由此分析得出，隨著氫氣與丙烷混合前溫度的降低，混合后的溫度相對于混合前的溫降逐步減小，如圖3所示。

圖3 氫氣與丙烷混合后溫度降幅曲線圖

而要建立換熱工況，必須要有持續的換熱溫差和足夠的冷量，才能冷卻熱物流、彌補復熱不足冷損和跑冷損失等。因此，單靠丙烷與氫氣混合降溫、丙烷汽化循環冷卻提供所需的換熱溫差和汽化冷量，60%的負荷下，冷箱分離系統中反應器流出物被冷卻至～-50℃，可能已經接近這種換熱狀況下的極限平衡點。顯然這種溫度離冷卻分離得到合格產品的溫位要求還有很大的差距。

膨脹機投運后，既利用了丙烷與氫氣混合降溫，丙烷與氫氣混合后汽化提供冷量，又利用了高、低壓氫氣等熵膨脹降溫和提供低溫位的冷量。不斷循環提供冷卻反應器流出物所需的溫度、冷量。

高壓膨脹機前的分離器氣相出口溫度到達-40℃及以下，這時可以依次投用高、低壓氫氣膨脹機組，隨著氫氣膨脹機的等熵膨脹降溫，膨脹后的低溫物流與冷卻后的丙烷混合，混合物流的溫度進一步降低，在板翅式換熱器內逐步汽化作為主要冷源冷卻反應器流出物、丙烷；隨著進冷箱的丙烷的增加，尤其是往二級換熱器增加丙烷，即冷箱負荷的提高，氫氣膨脹機的做功增加，冷箱內溫度快速、穩定地下降，達到冷卻分離反應器流出物合格產品的溫位要求。

4 膨脹機在冷箱分離系統中的作用

對冷箱分離系統熱負荷分析，可以得出冷箱分離系統換熱分離所需冷量的主要來源是丙烷進出冷箱的汽化潛熱，而氫氣等熵膨脹提供的冷量只占～5%。

那么冷箱分離系統中，反應器流出物在二級冷卻器中被冷卻至-115℃甚至更低的溫度，達到了冷卻分離獲得合格產品的要求，這么低的溫度是如何獲得，膨脹機發揮了什么作用。現就二級冷卻器的冷熱物流、熱負荷進行分析。

二級冷卻器與高、低壓氫氣膨脹機組工藝流程如圖4所示，依據一定的設計參數模擬二級冷卻器各物流的熱負荷如表2所示。

表2 二級冷卻器各物流的熱負荷數值表

E101.板翅式換熱器；D101.分離器;K101.高壓膨脹發電機組;K102.低壓膨脹發電機組

分析得出，隨著氫氣、丙烷混合前溫度的降低，混合后氣體中的丙烷氣相分壓也降低。由丙烷飽和溫度曲線圖(如圖5所示)可知，隨著丙烷飽和蒸氣壓降低，丙烷飽和溫度降幅增大，尤其是丙烷飽和溫度-60℃以下，降幅更為明顯。

圖5 丙烷飽和溫度曲線

在膨脹機組沒有投運前，利用丙烷與氫氣混合降低溫度提供換熱溫差，利用丙烷與氫氣混合后汽化提供換熱所需冷量。無論是模擬計算，還是實際運行，60%的負荷下冷箱分離系統中反應器流出物只能被冷卻至～-50℃。開啟膨脹機組后，通過膨脹機組等熵膨脹制冷、降低膨脹物流——氫氣的溫度，不斷循環冷卻氫氣、丙烷，使其混合前的溫度降低，混合后的溫度低于熱物流出冷端的溫度(如表2所示)，保證了一定的換熱溫差，再通過丙烷與氫氣混合逐步汽化提供換熱所需的主要冷量，以及流程優化組織，使得在膨脹機組開啟后，隨著冷箱分離系統的負荷提高，反應器流出物能被冷卻至～-115℃甚至更低的溫度。

由以上分析，結合二級冷卻器與高低壓氫氣膨脹機組工藝流程、二級冷卻器各物流的熱負荷參數，可以得出膨脹機組在冷箱分離系統中的作用。一是獲得低溫位的冷量用以循環冷卻熱物流；二是獲得低溫氫氣(膨脹前后溫降有18℃)，這部分氫氣與被冷卻后的丙烷混合組成聯合進料，使得提供主要冷量的冷物流——聯合進料與熱物流有一定的溫差，兩方面的作用確保換熱工況的不斷循環建立，最終達到換熱分離所需的溫度、冷量。

5 結束語

UOP的Oleflex工藝的丙烷脫氫裝置冷箱分離系統，換熱分離所需的冷量主要來自丙烷進出冷箱的汽化潛熱，這種工藝流程冷量的制取特別。需要合適的氫氣與丙烷混合降低丙烷的氣相分壓，提供換熱溫差、換熱所需冷量。而更低溫度的獲得，必須利用膨脹機組的等熵膨脹，不斷循環提供低溫位的冷量、低溫的返流冷物流形成換熱推動力。因此，無論是在流程設計，還是在調試運行過程中必須充分認識并理解氫氣與丙烷混合降溫原理，氫氣與丙烷混合汽化制冷原理，膨脹機組等熵膨脹制冷在冷箱分離系統中的作用，才能做出更優化的設計，操作運行維護才會更為穩定。