螺桿壓縮機防反轉流程改造

(中國石化集團重慶川維化工有限公司，重慶，401254)

在天然氣部分氧化裂解生產乙炔的工藝過程中，原料天然氣和氧氣分別在各自獨立的加熱爐中，經預先加熱到最高650℃，進入乙炔爐進行充分混合后，在乙炔爐反應室內發生裂解反應；經過工藝炭黑水三次淬冷終止反應，并將溫度降低到80℃以下。再經電除塵器除去其中大部分的炭黑粉塵，在裂解氣冷卻塔中進一步冷卻到大約35℃，得到天然氣的裂解氣體。裂解氣中除含有主要目標產物乙炔、氫氣和一氧化碳外，還含有少量極易發生聚合的丁二炔，甲基乙炔等副產物[1]。

表1 乙炔爐生成的主要副產物及其含量(%V)

部分氧化工序生成的、乙炔含量在8%(V)左右的裂解氣，與來自提濃工序的兩股富含乙炔的循環氣在壓縮機之前混合，形成含乙炔約11%(V)的混合氣體。該混合氣在壓縮工序經兩段式螺桿壓縮機壓縮，升壓到最高1.2 MPa，進入乙炔提濃工序。在提濃工序，采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)或者N、N-二甲基甲酰胺(DMF)作為吸收溶劑，經過多次選擇性的吸收和解吸，混合氣體被分離成產品乙炔、尾氣(合成氣)和高級炔烴氣(High Alkynes)等三種氣體。乙炔可以作為醋酸乙烯(VAC)、氯乙烯(VCM)或1,4-丁二醇(BDO)等的原料；尾氣可以作為甲醇、合成氨或制氫、CO的原料；高級炔烴經螺桿式升壓機或水環式升壓機升壓后，送鍋爐作為燃料氣或并入乙炔裝置燃料氣管網，用作天然氣加熱爐和氧氣加熱爐燃料。

1 螺桿壓縮機工作原理及特點

螺桿壓縮機屬于容積式壓縮機[2]，可分為單螺桿壓縮機和雙螺桿壓縮機。在壓縮機的機體中，平行地配置有一對相互嚙合的螺旋形陰、陽轉子。由汽輪機或驅動電機通過聯軸節和陽轉子直接連接，帶動陰轉子工作。

螺桿壓縮機結構簡單、緊湊、設備占地小，布置方便；設備采購成本和配套輔助系統費用低，維護方便和維護費用較低，壓縮機使用壽命長(一般設計壽命達30年)，蒸汽驅動和電驅動的功率利用比較充分，操作運行費用低，并且能夠在高真空度的低吸入壓力下操作。

螺桿壓縮機在運轉過程中，因為陰、陽轉子之間，機殼與轉子之間都有一定的間隙，當有少量的液體或小的固體顆粒進入機體內，壓縮機在高速運轉下能很快將其排出，所以螺桿壓縮機能夠很好地用于含聚合物顆粒的裂解氣的壓縮。

世界范圍內比較知名的用于天然氣部分氧化制乙炔的裂解氣螺桿壓縮機廠家有：德國曼透平公司(MAN Diesel & Turbo SE)、日本神戶制鋼所(KOBELCO)和美國GE公司。川維化工的4套天然氣制乙炔裝置采用了上述三家公司的螺桿壓縮機，運行效果都非常理想。

由于裂解氣中含有易聚合的乙炔、甲基乙炔、二乙烯基乙炔和極易分解的丁二炔等，所以在裂解氣壓縮過程中，通常采用低壓縮比的兩級壓縮，兩級之間采用循環炭黑水進行噴淋冷卻和洗滌。

表2 壓縮機設計壓力及溫度

2 壓縮機反轉的原因

由于裂解氣中含有的易聚合組分和少量的炭黑，在壓縮機進行絕熱壓縮過程中，盡管壓縮機內部采用噴射水進行冷卻，但是其一級和二級出口溫度都達到80℃。在這一過程中，隨著壓力和溫度的升高，會發生高級炔的聚合反應，生成聚合物[3]。盡管在一級出口冷卻塔和二級冷卻塔出口都采用大量的水進行噴淋洗滌，還是有部分聚合物隨裂解氣帶入背壓管道；并且在冬季環境溫度和噴淋水溫度都比較低的情況下，為了保證噴淋水的噴淋效果，不能過分降低噴淋水的流量，這使得壓縮機一級和二級出口冷卻塔的出口溫度，以及下游背壓管道的溫度都遠遠低于工藝設計值35℃，從而使得聚合物結晶加快。這些聚合物在低溫和含水的情況下，會結晶沉積在管道、閥門上；尤其是比較致密的聚合物，會造成止回閥和電磁閥等關閉不嚴。為保證壓縮機的安全運行，在冬季不得不因為出口閥門和管道堵塞，造成壓縮機出口背壓急劇升高，而停車檢修。

在壓縮機因各種原因突然停車時，壓縮機出口冷卻塔、背壓管道和下游加壓系統中大量的高壓氣體經壓縮機形成回路返回到壓縮機進口低壓側，約1.1MPa的壓力差不可避免地造成壓縮機反轉。壓縮機的高速反轉，會造成盤車機構、同步齒輪[4]，甚至機殼被損壞。實際生產過程中，曾經發生壓縮機的機殼損壞，造成裝置低負荷運行達半年之久，嚴重影響了工廠效益。

3 防反轉流程改造和措施

實際運行中發現原設計的壓縮機流程不夠合理，結合生產運行中頻繁發生的故障及其所造成的損壞情況，對壓縮機的流程進行改造，并對部分閥門進行重新選型和管道材質進行升級，很好地解決了壓縮機的反轉問題，確保了裝置的安全穩定和長周期運行。

(1)將壓縮機出口背壓管道上快關閥的位置從原設計的二級冷卻塔出口，前移到二級冷卻塔的進口之前。由于在進二級冷卻塔之前的裂解氣溫度在80℃左右，聚合物在此不易沉積。當壓縮機突然停車時，快關閥能夠可靠關閉，將二級冷卻塔、背壓管道和后續加壓系統中壓力比較高的氣體隔離，而不會通過壓縮機形成通路返回，從而避免了壓縮機的反轉。

(2)裝置長期的生產運行表明：高級炔及其聚合物在不銹鋼材質上的結晶沉積明顯低于在碳鋼材質上的結晶沉積，包括其沉積速度和結晶物的致密度。通過將壓縮機出口背壓管道上的截止閥、止回閥和控制閥等更換為不銹鋼閥門，并選用啟閉迅速的Y型截止閥，很好地解決了因聚合物的結晶堵塞造成閥門不能關閉或關閉不嚴的問題。同時，將壓縮機出口管道和背壓管道由原設計的碳鋼管道更換為不銹鋼管道，極大地減輕了聚合物的沉積、堵塞。

圖1 改進的壓縮機流程圖

4 結語

通過對壓縮機的流程進行改造，并選用更抗堵塞的閥門和不銹鋼管道；實際生產中精心操作，嚴格控制各項運行參數，確保了壓縮機的安全運行，從而保證了整個乙炔裝置的穩定和長周期運行。