裂解气压缩机结构优化

贺宏伟（陕西延长石油延安能源化工有限责任公司 陕西省西安市 710075）

前言

乙烯是一种重要的化工基础原料，其生产能力通常是衡量一个国家综合国力的重要指标。随着其需要量的逐渐增加，老的生产技术不断得以完善、成熟，新的工艺技术不断被开发出来，其中最重要的、生产能力最大的为蒸汽热裂解工艺[1]，但近些年来研究重点正在向催化裂解方向发展，如MTO、ACO及DCC等。然而不管工艺技术如何发展更新，裂解气压缩机都将是其中一台非常关键的设备。裂解气压缩机用于提高裂解气的静态焓和压力[2]，以为后序分离提供足够的能量，最终得到聚合级乙烯产品。为了保证后续分离技术要求，降低投资及操作费用，裂解气压缩机必须要有一个比较合理的结构。

一、ACO工艺裂解气压缩机

ACO工艺即Advanced Catalytic Olefins先进的催化制烯烃技术。它由KBR和SK公司共同开发，KBR全球专利授权。采用FCC流化床反应器，将石脑油等轻烃在SK专利催化剂作用下，生产乙烯和丙烯产品。其中裂解气压缩机流程简图如图1所示。

图1.ACO工艺中裂解气压缩机流程简图

由图可以看出，该工艺中裂解气压缩机除了连接反应和分离部分之外，最后一段与脱丙烷塔系统构成了一个热泵系统，起到节能降耗的作用。另外根据工艺包设计要求，开工时需由裂解气压缩机1-3段提供该装置的吹扫用空气。故其结构设置不同于传统工艺技术，需要其结构进行优化以满足工艺和操作要求。

根据工艺计算，要满足后续分离所需压力要求，并从压缩机设计角度看，裂解气压缩机需要设置为四段压缩。为了便于说明问题，裂解气压缩机的正常工况下主要参数列于表1中。

由表1可以看出，裂解气压缩机1至3段为常温段，而第4段则为低温段。对于空气吹扫工况来说，吹扫空气压力应在0.85M Pa(A)左右，系统吹扫温度不高于65℃。分析可知：只需1-3段压缩空气即可满足吹扫要求，与工艺包要求一致。此外，由图1可以看出裂解气压缩机第四段位于脱丙烷塔顶，介质清洁度较高，因此就存在压缩机结构如何布置及第四段在空气吹扫工况时如何运行的问题。

表1.裂解气压缩机正常工况时的主要参数

二、裂解气压缩机结构讨论

根据工艺要求和操作性要求，在此将对各种可能性结构配置方案进行分析对比，以找出最优化结构，满足各方面要求。

1.四段两缸结构

裂解气压缩机采用四段两缸结构时，压缩机配备了高压缸和低压缸两个缸体。但此配置又可以分为两种配置方式：3+1和2+2方式。3+1即一、二和三段共用一个缸体，作为低压缸，而第四段单独用一个缸体，作为高压缸。其布置方式为透平+低压缸+高压缸。2+2方式则为一段和二段共用一个缸体，作为低压缸，而第三段和第四段共用一个缸体，作为高压缸。其布置方式也为透平+低压缸+高压缸。两种方式的示意图如下：

图2.四段二缸结构布置图

2.四段三缸结构

当裂解气压缩机采用四段三缸结构时，压缩机配备了高压缸、中压缸和低压缸三个缸体。此配置采用2+1+1布置方式，但该布置又可以分为两种形式：一段单独使用一个缸体，作为低压缸，二段和三段共用一个缸体，作为中压缸，四段也单独使用一个缸体，作为高压缸；一段和二段共用一个缸体，作为低压缸，三段和四段分别单独使用一个缸体，分别作为中压缸和高压缸。但两者布置方式相同，均为透平+中压缸+低压缸+高压缸。其各示意图如下：

图3.四段三缸结构布置图

3.结构分析

对于 3+1方案，1，2和3段共用一个低压缸，使得低压缸体积比较庞大，占地面积大，成本高，运行过程中，转速较高，但是效率较低，运行稳定性较差，同时也会给运输和安装带来一定的困难。与其它方案相比，其它方案均优于该方案。但是第4段单独设置，可以满足1，2，3段提供吹扫空气的操作要求。

对于2+2方案，1、2和3、4段分别共用一个缸体，整体比较均匀，不会存在3+1方案里面低压缸一头过大的问题，结构也比较紧凑，轴向推力较小，效率高，结构较经济合理且能满足A C O工艺要求，对于正常工况运行非常有利。但是对于空气吹扫和正常运行工况来说存在以下问题：（1）高压缸内第三段组分杂质含量高，第四段组分比较清洁，三四段同在一个缸内设置，存在污染的问题；（2）第四段是低温段（-40℃），第三段是常温段，如果两段同在一个缸内设置，材质必须采用低温钢，价格昂贵；（3）设计制造较为复杂；（4）吹扫成本升高，无法满足四段断开运行的吹扫工艺要求。

对于两种2+1+1方案而言，均把第四段单独作为一个缸体，其最主要的区别就是中压缸的分配问题，即2段是并入低压缸还是高压缸的问题。两种布置方式均有利于消除轴向推力。但相比于将2段并入低压缸来说，将2段并入中压缸，可以使各缸结构更均匀，其原因是气体在各段内升压并在段间冷凝时有部分气体冷凝，体积逐步减少，2段和3段合并有助于降低低压缸体积。从工艺和操作角度看，可以满足前三段提供吹扫空气的要求，也不存在泄漏而污染第四段的隐患。

从上述分析可以看出，单从工艺角度来说，均可以满足工艺要求。四个方案中，只有2+2方案没有把第4段单独作为一个缸体，存在工艺污染方面的风险，其它三个方案均把4段单独设置，有利于保证物料的清洁度。但3+1方案的弊端是显而易见的，结构配置比较差。只有2+1+1方案即可以很好地满足工艺要求，也可以满足操作要求，优势很显示。另外，在空气吹扫过程中，只需前三段提供压缩空气，即可满足需求。如果第四段同时也在运行，则需要提供清洁的氮气作为压缩介质，这样操作不仅增加了能耗，而且也增加了氮气消耗，从而提高了操作费用。因此需要有一种特殊设计，以便在吹扫阶段可以把第四段拆除，只运行前三段，以节能降耗。对于这样的设置来说，在第4段拆开后，2段并入低压缸可以平衡掉更多轴向推力，更有利于操作和设备安全。

结论

综上所述，从工艺要求、操作要求、运行性能和能耗方面对四种可能性方案进行了分析研究，最终选定2+1+1（高压缸(4段)低压缸(1,2段) 中压缸(3段)）方案为最优方案，并且在空气吹扫时，4段断开运行，以降低成本。

[1]曲岩松,高春雨,杨秀霞,中国乙烯工业路在何方,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).