丙烯制冷系统结冰的预防及改造

刘学武 王 娟 高林林

(昊华国泰化工有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017418)

丙烯制冷系统结冰的预防及改造

刘学武 王 娟 高林林

(昊华国泰化工有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017418)

2016年3月17日，昊华国泰化工有限责任公司年产400 kt甲醇装置丙烯制冷系统在检修过程中意外进水，因处理不当，导致系统结冰冻堵而停产3 d，直接经济损失达396万元。究其原因，虽然丙烯制冷系统进水后处理不当导致结冰冻堵是一个不可回避的事实，但该类系统所存在的设计缺陷也是不可忽视的。

1 丙烯制冷系统工艺原理

制冷的方法很多，常见的有以下4种：液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷，其中液体汽化制冷的应用最为广泛，丙烯制冷就是其中一种，它是利用丙烯液体汽化时的吸热效应来实现制冷。当液体处于密闭容器时，若该容器内除了液体及液体自身的蒸气外不存在任何其他气体，那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡，此时的气体称为饱和蒸气，它所具有的压力称为该温度下的饱和压力，温度称为饱和温度，饱和压力随温度的升高而升高。如果将一部分饱和蒸气从容器中抽出，液体中就必须再汽化一部分蒸气来维持平衡，液体汽化时，需要吸收热量，此热量称为汽化潜热。汽化潜热来自被冷却对象，它使被冷却对象变冷，或者使它维持在某一低温。为使上述过程继续进行，必须不断地从容器中抽出蒸气，再不断地将液体补充进去。通过一定的方法把蒸气抽出，并使其凝结成液体后再回到容器中，就能满足此要求。从容器中抽出的蒸气如果直接凝结成液体，所需冷却介质的温度比液体的蒸发温度还要低。为了使蒸气的冷凝过程在常温下实现，需要将蒸气的压力提高至常温下的饱和压力，这样制冷介质将在低温、低压下蒸发，会产生制冷效应，并在高温、高压下冷凝，向环境或冷却介质放出热量。因此，制冷循环由介质汽化、蒸气升压、高压蒸气冷凝和高压液体降压这4个过程组成。丙烯制冷系统工艺流程见图1(虚线为改造部分)。

来自低温甲醇洗装置的温度为-38 ℃、压力为0.13 MPa(绝压)的丙烯气体进入丙烯分离器(V3151)，气体中的液滴分离出来后进入丙烯压缩机(C3151)一段进口，流量为25 049 m3/h(标态)。来自省功器(V3154)的温度为-7 ℃、压力为0.45 MPa(绝压)的丙烯气体进入丙烯分离罐(V3152)，气体中的液滴分离出来后进入C3151二段进口，流量为11 257 m3/h(标态)，然后与C3151一段出口气体混合后进入C3151二段进口继续压缩，此时流量为36 306 m3/h(标态)。丙烯气体经压缩后压力升至1.88 MPa(绝压)、温度为91.6 ℃，然后依次进入一级丙烯水冷器(E3151)、二级丙烯水冷器(E3152)，最终冷凝至40 ℃，冷却介质为循环冷却水。

丙烯气体通过循环冷却水冷凝成液体后，靠重力自流排入丙烯收集槽(V3153)，出V3153的液体丙烯经V3154后减压至0.45 MPa(绝压)、温度降低至-7 ℃，丙烯蒸气带走热量进入V3152进行气液分离，液体丙烯分两路分别进入过冷器A(E3154A)的管程和壳程：壳程丙烯经减压并带走管程丙烯的热量后进入V3151，进行气液分离；管程丙烯经深冷至-20 ℃后，最终送至低温甲醇洗装置。

2 存在的问题

在常温、常压下，丙烯与水不互溶。在丙烯制冷系统中，最低温度为-45 ℃，若水混入丙烯中，并不会产生共溶物，而直接在低温下结冰，进而冻堵设备，导致系统无法继续运行。若处理不及时，还会因结冰损坏设备，进而扩大损失。昊华国泰化工有限责任公司丙烯制冷系统就是存在上述问题，在正常生产过程中，如果系统不慎进水，直接在低温区结冰，导致系统无法正常运行；另一方面，在系统停车过程中不慎进水，系统开车后，水会在过冷器A内结冰积聚，最终将设备堵塞，同样导致系统无法正常运行。

图1 丙烯制冷系统工艺流程

丙烯进水的原因有很多，比如丙烯水冷器内漏、补入丙烯自带水分的积聚等，这些都是难以避免的。目前，国内的丙烯制冷系统均存在与本公司同样的设计缺陷，无法在线处理丙烯内进入的水。经试验，一旦丙烯含水质量分数达到2%左右，此类丙烯制冷系统将无法正常运行。

3 结冰预防措施

对于目前国内的丙烯制冷系统来说，丙烯进水会造成严重的后果，主动杜绝水进入丙烯是最恰当、最有效的措施。结冰预防措施如下：①加强丙烯水冷器的检测，保证丙烯侧的压力高于水侧，防止循环水进入丙烯系统；②定期对水侧进行可燃物分析，以检测丙烯水冷器的内漏情况；③遇到检修等部分设备加水的情况，投用前必须尽可能多几次取样分析，以保证该设备彻底置换、干燥，露点达到-60 ℃后方可投用；④丙烯压缩机停车后，必须保证丙烯系统保持正压，必要时可通入氮气；⑤采用先进的分析手段，保证系统所补充丙烯的质量；⑥在丙烯压缩机停车前，应先停丙烯水冷器的循环水，并通过导淋将水排放。同样，丙烯水冷器应在丙烯压缩机开车完成并运行稳定后投用。

对于这套系统，虽然主动采取了各种有效措施防止丙烯进水，但不能排除意外进水的情况发生。由此可见，对该套系统增加进水后的保护措施是很有必要的。

加入一种既溶于水又溶于丙烯的介质，使水可以与丙烯互溶并形成共溶物，这样就能防止水在低温下结冰。根据丙烯及水的物理性质，可选择甲醇作为此种中间物。丙烯、水、甲醇互溶后在常压下冰点的测试情况见表1。

表1 丙烯、水、甲醇互溶后在常压下冰点的测试情况

由表1可知：在相同水含量的情况下，甲醇含量越高，冰点越低；在相同甲醇含量的情况下，水含量越高，冰点越高。如果甲醇含量过高，冰点会急剧升高，毕竟在常压下，纯甲醇的冰点只有-97 ℃，而纯丙烯的冰点为-185.3 ℃。如果水含量过高，则无法形成共溶物。另外，丙烯制冷系统最低点温度约-45 ℃，即使甲醇含量很高，只要形成了共溶物，就能杜绝结冰冻堵的情况发生。

从理论上说，甲醇含量越高，系统才越安全，但过高的甲醇含量会影响丙烯的制冷效果。不同甲醇及水含量下丙烯制冷效果见表2。

表2 不同甲醇及水含量下丙烯制冷效果

由表2可知：水含量及甲醇含量越高，制冷效果越差；当甲醇质量分数达到25.0%时，丙烯制冷系统最低温度居然只有-14.2 ℃。当然，如果水含量过高，则没有形成共溶物，丙烯制冷系统将无法运行。

由此可见，靠形成共溶物防止水结冰的方法是有限度的。当水含量较高时，为了将此部分水与丙烯形成共溶物，必须加入对应含量的甲醇，这样丙烯的制冷效果将受到很大影响。因此，此种方法仅适用于系统少量进水的情况。

4 改造措施

根据原有设计，制冷系统启动后，丙烯压缩机出口温度约97 ℃，一级丙烯水冷器出口温度约40 ℃，二级丙烯水冷器出口温度约20 ℃，丙烯收集槽出口温度约12 ℃、省功器出口温度约7 ℃，过冷器A出口温度约-26 ℃。由此可见，过冷器A出口温度达到水的凝固点，且是整个制冷系统的温度最低点。如果丙烯制冷系统意外进水，在没有保护介质或者保护介质不足的情况下，系统内的水会逐渐在过冷器A内积聚，因此，过冷器A能变相地过滤去除丙烯中的水分。如果增加1台备用过冷器B，在系统进水且保护介质不足的情况下，待过冷器A过滤去除部分水后，再投用备用过冷器B，并清理原过冷器A内的冰，如此循环，就能逐渐清理去除系统内的水，并能维持系统正常运行。

根据此原理进行以下改造：在原过冷器管程的入口管道阀前引出1根相同管径的管道，进入新增过冷器B管程。同样，在过冷器A壳程的入口管道阀前引出1根相同管径的管道，进入新增过冷器B壳程。2台过冷器均设有单独的出、入口阀，方便清理冰时可相互切换。过冷器壳程顶部配低压氮气管道，并在底部设排气口，用于过冷器复热；管程顶部设有氮气管道，用于吹除列管中的水及置换设备；最低点设导淋，用于过冷器复热后管程排水(见图1中虚线部分)。

改造完成之后，一旦系统大量进水，可将过冷器A和过冷器B轮流使用，将被冰堵塞的过冷器壳程通入低压氮气，从底部排气导淋排出，为该过冷器复热。此时，过冷器管程底部排水导淋打开，设备温度达到0 ℃以上时，管程通入氮气，将列管中的水吹净。除冰完成后投入使用，然后将另一台过冷器切出，重复以上步骤，直到将系统中的水清除干净。此方法操作方便、快捷，除水效率高，彻底解决了丙烯制冷系统大量进水后无法正常运行的问题。

5 结语

在引进国外先进技术时，一定要考虑到操作习惯及应用环境的差异，对于不适合国内生产情况的部分应及时作相应修改。丙烯制冷系统引入国内已多年，由于应用比较成熟，各设计院并未对此做较大改动，导致丙烯进水后无法正常运行成了此类装置共同存在的设计缺陷，每年都有很多企业因为丙烯进水而影响生产，造成了不同程度的损失。经改造后，通过保护介质与除水装置的配合使用，该套丙烯制冷系统已经不再受水含量的制约，杜绝了结冰冻堵事故的发生，增加了系统的稳定性和安全性。

2016- 04- 17)