編 輯 | 化工活動家

來 源 | 化工設備與管道

作 者 | 楊思思等

關鍵詞 | 乙烯裝置  裂解氣壓縮機  結焦  對策

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導 讀

裂解氣壓縮機是乙烯裝置中的關鍵設備之一。裂解氣壓縮機級間流道結焦，致使壓縮機的溫度、壓力、流量等參數發生變化，造成裝置能力下降，能耗提高。此外，焦塊的脫落，會破壞壓縮機轉子動平衡，致使壓縮機組振動升高，甚至可能會造成機組的損壞。如何有效解決乙烯裝置裂解氣壓縮機“結焦”問題，是決定乙烯裝置能否正常運行的關鍵問題。今天老姜帶大家梳理一下乙烯裝置原料裂解流程開始著重分析裂解氣壓縮機在運行中結焦的誘因、機理和應對策略。

乙烯裝置工藝流程簡介

目前全球通用的乙烯工藝分離流程有以下幾種：順序分離流程、前脫乙烷流程、前脫丙烷流程。順序分離流程顧名思義按碳一、碳二、碳三……順序分離；前脫乙烷流程是先將碳二及更輕組分與碳三、碳四等更重組分分開，再進行逐項分離；前脫丙烷流程是先將碳三及更輕組分與碳四等更重組分分開，再進行分離。不論哪一種流程，從流程和布置上來分，乙烯裝置大體可分為以下幾個工區：裂解區、急冷區、壓縮區、冷區和熱區。典型乙烯工藝流程如圖1所示。

裂解是指烴類原料在高溫條件下，發生碳鏈斷裂或脫氫反應，生成烯烴及其他產物的過程。生成的裂解氣要經過急冷區進行迅速冷卻，以防止二次反應的發生，同時回收熱量，之后進入裂解氣壓縮機。裂解氣的壓縮和脫除酸性氣體，目的是為達到分離所需的壓力，同時除去有害雜質。裂解氣中酸性氣體、水分、炔烴等雜質的存在對深冷分離和烯烴的進一步加工利用妨礙極大，因此裂解氣在深冷分離前必須進行預處理。對裂解氣進行壓縮，一方面可提高深冷分離的操作溫度，從而節約低溫能量和低溫材料，節省建設投資；另一方面加壓會促使裂解氣中的水與重質烴冷凝，可除去相當量的水分和重質烴，從而減少了干燥脫水和精餾分離的負擔。

從裂解爐來的裂解氣經裂解氣壓縮機增壓后按不同的分離順序進入熱分離和冷分離區進行分離，得到理想的乙烯、丙烯等石化原料。

由于裂解原料的多樣化，經裂解爐高溫裂解后的產物，成分非常復雜。表1給出了典型乙烯裝置裂解氣的氣體組分。

從表1可以看出，從裂解爐出來的裂解氣含有一定比例的不飽和烴，不飽和烴在85℃以上發生聚合反應，形成黏稠的附著物，黏結在壓縮機流道上，引起流道堵塞，影響壓縮機的氣動性能和機械性能，嚴重時致使壓縮機不能正常工作。

裂解氣壓縮機為何結焦？

有專家對裂解氣壓縮機產生結焦問題進行了原理性的闡述，其中結論集中在如下三點：自由基聚合反應、Diels Alder冷凝和熱降解致結焦。

在自由基聚合反應中，帶有活性雙鍵的單體，例如丁二烯、苯乙烯、異戊二烯和乙烯基乙炔，發生反應時可生成聚合物。

自由基聚合反應，如圖3所示，初始階段中，通過氫過氧化物分解（如果存在氧氣源、熱源或者金屬催化劑）或者加熱形成原子團。一旦不穩定原子團形成，它就會和單體迅速發生反應，產生新的原子團，新的原子團繼續和單體發生反應。隨著聚合物鏈的增長，分子量增大到聚合物開始變得不可溶。聚合物就會附著在管道和工藝設備上。

不論聚合物是通過自由基機制生成還有由于Diels-Alder反應（譯作狄爾斯-阿爾德反應，又名雙烯加成，由共軛雙烯與烯烴或炔烴反應生成六元環的反應）生成，如圖4所示。

隨著時間的推移，沉淀的烯烴會減少到類結焦狀物質，如圖5所示。

環狀單體繼續和其他環狀、二烯型或炔基單體反應來形成多核芳香烴（PNA）材料。PNA會逐漸脫氫，形成一種類結焦狀產物。

結焦位置有哪些？會產生什么后果？

為了說明裂解氣壓縮機內部容易結焦的位置，我們先來分析一下壓縮系統流程圖以及裂解氣壓縮機各段處理的氣體組成，圖6給出了典型裂解氣壓縮機系統簡圖。

從圖中可以看出，裂解氣壓縮機前四段壓縮機氣體為含不飽和烴的氣體，四段以后氣體進入堿洗塔除去不飽和烴，因此，裂解氣一至四段需要注水降溫，五段不再需要注水。在上節中我們談到，不飽和烴在85℃以上發生聚合反應，為防止裂解氣壓縮機壓縮溫度過高，以及其他工藝等方面的原因，裂解氣壓縮機共分五段壓縮。從表1可以看出，裂解氣壓縮機一、二、三、四段處理的介質中含有容易發生聚合反應的不飽和烴，而后經過堿洗、干燥處理，介質中的不飽和烴被清除，因此，裂解氣壓縮機第五段處理的介質中不再含有不飽和烴。因此，本文在討論壓縮機內部結焦及其處理方案時，僅限于裂解氣壓縮機的一至四段。在壓縮機內，一至四段有可能產生不飽和烴在高溫下結焦，而其具體位置可能發生在壓縮機內部的多個地方。

（1）在介質通過入口導流葉片、葉輪、擴壓器和平衡線上都有可能產生結垢。圖7給出了裂解氣壓縮機的內部結構圖。壓縮機入口導流葉片、葉輪、擴壓器等位置結焦后不僅使壓縮機流道變窄、氣體流動阻力增加，壓縮機處理能力下降，能耗提高，同時，由于結焦部位焦塊脫落，壓縮機轉子平衡破壞，致使機組振動增加，致使機組不能正常工作，嚴重時可能致使機組損壞。

（2）還有可能產生結垢的位置是壓縮機內部級間迷宮密封。圖8給出了級間迷宮密封的結焦示意圖。迷宮密封阻止氣體從高壓級向低壓級泄漏，級間迷宮密封處結焦可加速級間密封的磨損，迷宮密封阻力減小，氣體泄漏量會增加，壓縮機容積效率降低。

（3）另一個可能的結焦位置是每一段的出口管線，圖9顯示了各段出口管線結焦的實例。

（4）由于有可能在換熱器的入口處的管束上收集到聚合物，聚合物沉淀物會造成壓差，導致換熱器換熱效果變差，換熱器差壓增加還可以導致壓縮機的壓比增加，從而降低壓縮機整體性能。圖10就顯示了中間冷卻器的結焦現象。

應對措施

從上述分析中可以看出，在乙烯生產中，原料經裂解爐高溫裂解，裂解氣中含有一定比例的不飽和烴，這些不飽和烴經過壓縮機壓縮，氣體溫度升高，可能會發生聚合反應。為防止不飽和烴聚合，防止氣體溫度過高，通常采取以下應對措施。

01

裂解氣壓縮機采用多級壓縮

當溫度過高時，重組分中的二烯烴將發生聚合反應，反應產生類似的結焦聚合物會沉積在壓縮機流道內，嚴重危及正常生產。為了盡可能延緩聚合現象的發生，就必須嚴格控制壓縮機各段溫度。裂解氣壓縮機一般采用四段或五段壓縮，裂解氣在壓縮機中壓力提高的同時，溫度也隨之上升，所以段間設分離器或換熱器，對裂解氣進行冷卻，嚴格控制壓縮機各段排氣溫度，同時也便于氣體壓縮，節省功耗。

02

裂解氣壓縮機入口注油

為減少乙烯裝置裂解氣壓縮機結焦，人們采取了很多措施，最早也是最常用的方法就是在壓縮機入口管道上設置注油系統，目前也有壓縮機廠家在級間同樣設置機殼注油。在裂解氣壓縮機入口管道上或級間設置油噴嘴，把霧化的油分散在裂解氣中，使夾帶油的裂解氣在流過壓縮機流道和葉輪表面形成一層油膜，使聚合物不易黏附于流道和葉輪等的表面。同時，由于相似相溶的原理，附著在流道處的聚合物會溶于礦物油，并通過段間罐排出，最終達到防止結焦的目的。因此油的注入量必須足夠，注入量一般為裂解氣質量流量的2%~3%。

 

壓縮機注油一般都為碳九，其能在機組葉輪形成濕潤的通道，使聚合物在葉輪和隔板上不易黏附，但此方法無法降低壓縮機出口溫度，因此對機體內發生的聚合反應并無抑制作用，故結焦的速度仍然較快。壓縮機每次檢修后開工運行12~18個月，機組就會出現明顯的效率下降及振動上漲的情況。另外，大量的碳九進入壓縮機組循環，造成大量碳九浪費。因此僅使用注油的系統，只能緩解或減慢機體內的聚合作用，并不能從根本上解決壓縮機結焦問題。

03

裂解氣壓縮機級間注水

近些年在國內各個乙烯裝置中廣泛采用濕壓縮技術來消除或控制裂解氣壓縮機結焦問題，取得了良好效果。濕壓縮技術就是在裂解氣壓縮機入口或級間向被壓縮氣體噴入冷卻液體，噴入的液體與高溫氣體直接接觸進行熱量交換，由于液體蒸發需要吸收大量的熱，使壓縮過程更接近于等溫壓縮，從而達到降低下一級葉輪出口氣體溫度的目的，進而達到降低每段出口溫度的目的。采用連續注水方式，其冷卻作用主要是來自水的蒸發潛熱。此時壓縮機出口氣體溫度和功耗均低于絕熱壓縮時的數值。

表2給出了典型裂解氣壓縮機級間注水前后壓縮機的參數。

圖11給出了典型裂解氣壓縮機各個操作工況注水前后的排氣溫度的變化情況。

圖12給出了典型裂解氣壓縮機各個操作工況注水前后軸功率的變化情況。

對表2、圖11和圖12進行比較發現，采用壓縮機級間注水技術，可明顯降低段間出口溫度，可有效防止介質中的不飽和烴聚合結焦，有效延長裂解氣壓縮機的運行周期，減少事故發生。另外，由于對壓縮機級間進行注水，盡管使得壓縮機實際處理能力略有增加，但是從熱力學上分析，由于壓縮機排氣溫度降低，級間換熱器負荷下降，使氣體更容易壓縮，減少了規定壓比所需的能頭，總的效應就是降低了壓縮機的功耗。

04

其他

（1）在壓縮機氣流通道內壁噴涂阻垢襯里，可以起到阻礙聚合物凝聚、黏附，從而防止焦垢形成。阻垢襯里的主要成分是聚四氟乙烯，其結構從內到外有三部分：

①金屬黏合層；

②中間連接層；

③阻垢層。

 

這種結構可使襯里既能阻止污垢物黏附，還能保證不會因外力作用而脫離內壁。

（2）阻聚劑也是防止聚合的一項主要措施。與丁二烯抽提、苯乙烯精餾等過程相比，壓縮機內的聚合傾向非常弱，可在注水和注油的同時加入適當阻聚劑或“緩聚劑”。穩定自由基機理如下：

R- +A+（阻聚劑主要成分）→RA

ROO-+A+（阻聚劑主要成分）→ROOA

阻聚劑加入后，可使聚合反應停止或大幅減慢，即使發生聚合反應，所生成聚合物的分子量也會大幅降低，更易被溶解和分散。