螺杆压缩机防反转流程改造

(中国石化集团重庆川维化工有限公司，重庆，401254)

在天然气部分氧化裂解生产乙炔的工艺过程中，原料天然气和氧气分别在各自独立的加热炉中，经预先加热到最高650℃，进入乙炔炉进行充分混合后，在乙炔炉反应室内发生裂解反应；经过工艺炭黑水三次淬冷终止反应，并将温度降低到80℃以下。再经电除尘器除去其中大部分的炭黑粉尘，在裂解气冷却塔中进一步冷却到大约35℃，得到天然气的裂解气体。裂解气中除含有主要目标产物乙炔、氢气和一氧化碳外，还含有少量极易发生聚合的丁二炔，甲基乙炔等副产物[1]。

表1 乙炔炉生成的主要副产物及其含量(%V)

部分氧化工序生成的、乙炔含量在8%(V)左右的裂解气，与来自提浓工序的两股富含乙炔的循环气在压缩机之前混合，形成含乙炔约11%(V)的混合气体。该混合气在压缩工序经两段式螺杆压缩机压缩，升压到最高1.2 MPa，进入乙炔提浓工序。在提浓工序，采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)或者N、N-二甲基甲酰胺(DMF)作为吸收溶剂，经过多次选择性的吸收和解吸，混合气体被分离成产品乙炔、尾气(合成气)和高级炔烃气(High Alkynes)等三种气体。乙炔可以作为醋酸乙烯(VAC)、氯乙烯(VCM)或1,4-丁二醇(BDO)等的原料；尾气可以作为甲醇、合成氨或制氢、CO的原料；高级炔烃经螺杆式升压机或水环式升压机升压后，送锅炉作为燃料气或并入乙炔装置燃料气管网，用作天然气加热炉和氧气加热炉燃料。

1 螺杆压缩机工作原理及特点

螺杆压缩机属于容积式压缩机[2]，可分为单螺杆压缩机和双螺杆压缩机。在压缩机的机体中，平行地配置有一对相互啮合的螺旋形阴、阳转子。由汽轮机或驱动电机通过联轴节和阳转子直接连接，带动阴转子工作。

螺杆压缩机结构简单、紧凑、设备占地小，布置方便；设备采购成本和配套辅助系统费用低，维护方便和维护费用较低，压缩机使用寿命长(一般设计寿命达30年)，蒸汽驱动和电驱动的功率利用比较充分，操作运行费用低，并且能够在高真空度的低吸入压力下操作。

螺杆压缩机在运转过程中，因为阴、阳转子之间，机壳与转子之间都有一定的间隙，当有少量的液体或小的固体颗粒进入机体内，压缩机在高速运转下能很快将其排出，所以螺杆压缩机能够很好地用于含聚合物颗粒的裂解气的压缩。

世界范围内比较知名的用于天然气部分氧化制乙炔的裂解气螺杆压缩机厂家有：德国曼透平公司(MAN Diesel & Turbo SE)、日本神户制钢所(KOBELCO)和美国GE公司。川维化工的4套天然气制乙炔装置采用了上述三家公司的螺杆压缩机，运行效果都非常理想。

由于裂解气中含有易聚合的乙炔、甲基乙炔、二乙烯基乙炔和极易分解的丁二炔等，所以在裂解气压缩过程中，通常采用低压缩比的两级压缩，两级之间采用循环炭黑水进行喷淋冷却和洗涤。

表2 压缩机设计压力及温度

2 压缩机反转的原因

由于裂解气中含有的易聚合组分和少量的炭黑，在压缩机进行绝热压缩过程中，尽管压缩机内部采用喷射水进行冷却，但是其一级和二级出口温度都达到80℃。在这一过程中，随着压力和温度的升高，会发生高级炔的聚合反应，生成聚合物[3]。尽管在一级出口冷却塔和二级冷却塔出口都采用大量的水进行喷淋洗涤，还是有部分聚合物随裂解气带入背压管道；并且在冬季环境温度和喷淋水温度都比较低的情况下，为了保证喷淋水的喷淋效果，不能过分降低喷淋水的流量，这使得压缩机一级和二级出口冷却塔的出口温度，以及下游背压管道的温度都远远低于工艺设计值35℃，从而使得聚合物结晶加快。这些聚合物在低温和含水的情况下，会结晶沉积在管道、阀门上；尤其是比较致密的聚合物，会造成止回阀和电磁阀等关闭不严。为保证压缩机的安全运行，在冬季不得不因为出口阀门和管道堵塞，造成压缩机出口背压急剧升高，而停车检修。

在压缩机因各种原因突然停车时，压缩机出口冷却塔、背压管道和下游加压系统中大量的高压气体经压缩机形成回路返回到压缩机进口低压侧，约1.1MPa的压力差不可避免地造成压缩机反转。压缩机的高速反转，会造成盘车机构、同步齿轮[4]，甚至机壳被损坏。实际生产过程中，曾经发生压缩机的机壳损坏，造成装置低负荷运行达半年之久，严重影响了工厂效益。

3 防反转流程改造和措施

实际运行中发现原设计的压缩机流程不够合理，结合生产运行中频繁发生的故障及其所造成的损坏情况，对压缩机的流程进行改造，并对部分阀门进行重新选型和管道材质进行升级，很好地解决了压缩机的反转问题，确保了装置的安全稳定和长周期运行。

(1)将压缩机出口背压管道上快关阀的位置从原设计的二级冷却塔出口，前移到二级冷却塔的进口之前。由于在进二级冷却塔之前的裂解气温度在80℃左右，聚合物在此不易沉积。当压缩机突然停车时，快关阀能够可靠关闭，将二级冷却塔、背压管道和后续加压系统中压力比较高的气体隔离，而不会通过压缩机形成通路返回，从而避免了压缩机的反转。

(2)装置长期的生产运行表明：高级炔及其聚合物在不锈钢材质上的结晶沉积明显低于在碳钢材质上的结晶沉积，包括其沉积速度和结晶物的致密度。通过将压缩机出口背压管道上的截止阀、止回阀和控制阀等更换为不锈钢阀门，并选用启闭迅速的Y型截止阀，很好地解决了因聚合物的结晶堵塞造成阀门不能关闭或关闭不严的问题。同时，将压缩机出口管道和背压管道由原设计的碳钢管道更换为不锈钢管道，极大地减轻了聚合物的沉积、堵塞。

图1 改进的压缩机流程图

4 结语

通过对压缩机的流程进行改造，并选用更抗堵塞的阀门和不锈钢管道；实际生产中精心操作，严格控制各项运行参数，确保了压缩机的安全运行，从而保证了整个乙炔装置的稳定和长周期运行。