乙烯深冷分离中变温冷却过程制冷系统的设计与优化_谢娜

第６４卷　第１０期 化　工　学　报
Ｖ
ｏｌ．６４　Ｎｏ．１０　２０１３年１０月 ＣＩＥＳＣ　Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｃｔｏｂｅｒ　２
０１３檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐
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研究论文
乙烯深冷分离中变温冷却过程制冷
系统的设计与优化
谢娜，刘金平，许雄文，曹乐
（华南理工大学电力学院，广东广州５１０６４０
）摘要：根据乙烯装置中的用冷需求，将乙烯装置的深冷分离过程分为变温冷却过程和定温冷凝过程，变温冷却过程指的是裂解气的预冷过程，定温冷凝过程指的是乙烯装置中各塔塔顶冷凝器中的换热；分析了乙烯－丙烯复叠制冷系统的换热集成曲线，可知在裂解气的预冷阶段，冷热物流换热温差大。

提出一种组合制冷系统，它集成了纯工质复叠制冷和混合冷剂制冷，其中的多元混合冷剂制冷系统为乙烯深冷分离的变温换热过程提供冷量。

并用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ软件对混合冷剂系统进行建模，使用遗传算法优化，优化结果表明在替代原制冷系统６８９５．５ｋＷ冷量负荷的情况下，功耗降低５２１．６ｋＷ，节能１４．７％。

关键词：混合制冷系统；乙烯装置；分离；计算机模拟；优化设计ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１３．１０．０１４中图分类号：ＴＱ　
０８３．４ 文献标志码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２０１３）１０－３５９０－０９
Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｓｙ
ｓｔｅｍ　ｆｏｒｖａｒｉａｂｌｅ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　
ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎ　ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓＸＩＥ　Ｎａ，ＬＩＵ　Ｊｉｎｐｉｎｇ，ＸＵ　Ｘｉｏｎｇ
ｗｅｎ，ＣＡＯ　Ｌｅ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　
ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｐｌａｎｔ，ｃｒａｃｋｉｎｇ　
ｇａｓ　ｃｏｏｌｉｎｇ－ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ａ　ｖａｒｉａｂｌｅ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ａ　ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　
ｇａｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｏｆ　ｔｏｗｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｐｌａｎｔ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ－ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｃａｓｃａｄｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ）ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｌｄ　ａｎｄ　ｈｏｔ　ｓｔｒｅａｍｓ　ｉｓ　ｍａｓｓｉｖｅ　ｉｎ　ｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇ　
ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃｒａｃｋｉｎｇｇａｓ．Ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｌｏｓｓｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ａ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｍｉｘｅｄ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ａｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｍｉｘｅｄ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ａｎｄ　ｃａｓｃａｄｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　
ｗｉｔｈ　Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ．Ａｎｄ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ａｓ　ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｗｉｔｈ　ｓｙｓｔｅｍ　ｖａｒｉａｂｌｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｏｕｔｌｅｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎ　ｏｕｔｌｅｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏｔｔｌｅ．Ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｐ
ｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｗａｓ　３０２５．５ｋＷ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　１４．７％ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｕｒｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｋｅｙ　
ｗｏｒｄｓ：ｍｉｘｅｄ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ；ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｐｌａｎｔ；ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ ２
０１３－０２－２７收到初稿，２０１３－０６－１０收到修改稿。

联系人：刘金平。

第一作者：谢娜（１９８９—），女，硕士研究生。

基金项目：能源高效清洁利用广东普通高校重点实验室（华南理工大学）基金项目（ＫＬＢ１０００４
）。

　
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　
ｄａｔｅ：２０１３－０２－２７．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＬＩＵ　Ｊｉｎｐｉｎｇ，ｍｐｊｐｌｉｕ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ　
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｉｔｅｍ：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄＣｌｅａｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｈｉｇｈｅｒ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　
ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＫＬＢ１０００４）．　
引　言
近年来我国乙烯工业发展较快，生产规模不断扩大，但是同时也一直存在效率较低、能耗过大等问题，乙烯生产水平仍有较大的发展空间，可通过改进生产技术等手段提高［１－２］，其中之一就是乙烯装置中的制冷系统。

目前应用在乙烯装置中的深冷分离过程的制冷系统主要有两种方式：传统的丙烯、乙烯冷剂复叠制冷和混合冷剂制冷。

近几年，混合冷剂制冷也渐渐投入使用［３］，许多学者对混合冷剂制冷系统展开研究：盛在行［４］对二元制冷技术首次应用在乙烯装置及工程应用情况进行介绍，可知采用二元制冷技术减少了１．７％的总制冷机功耗；三元制冷技术也开始应用于乙烯装置［５－６］；张炜等［７］用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ对Ｌｕｍｍｕｓ公司的二元、三元制冷系统进行模拟并对比，得到二元制冷系统能耗略低于复叠制冷、三元制冷系统能耗高于复叠制冷的结论。

关于混合冷剂制冷系统的设计和建模，国内外也进行了许多研究。

Ｍａｆｉ等［８－９］对乙烯装置复叠制冷系统进行分析，
包括分析，指出使换热器中冷热物流换热温差缩小可提
高效率，并用ＭＡＴ－ＬＡＢ软件对两套混合冷剂（氮气、甲烷、乙烯、丙烯）系统建模，认为在特定的冷剂组分和运行压力下，整个制冷系统的性能提高。

尹全森等［１０］通
过对不同级数的天然气液化混合冷剂循环进行分析，发现制冷循环级数的增加，
可使系统效率提高，同时多级制冷剂循环会增加循环的复杂程度。

赵路等［１１］用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ软件对甲烷－丙烯二元制冷系统进行模拟优化，并计算有效能损失情况，指出压缩过程和冷剂换热过程损失较大。

Ｎｏｇａｌ等［１２］对混合制冷循环进行优化，提出采用多级制冷、多级压缩中间冷却、混合制冷系统复叠等办法来提高制冷系统的性能。

侯经纬等［１３］、徐跃华等［１４］、凌再申［１５］都介绍了用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ软件模拟乙烯制冷系统、冷箱和分离流程等，并得到了比较理想的模拟结果。

乙烯低温分离过程包括裂解气降温、经各精馏塔分离为低温产品、产品经复热后输出。

裂解气在冷箱中的冷却曲线是连续变温的，而复叠制冷系统的特点是冷剂提供的供冷曲线是非连续的几个恒定温位，导致平均传热温差较大，传热过程不可逆损失大，能量利用率较低。

而采用混合冷剂的优点是
可使其蒸发曲线与工艺物流的冷却曲线相近，尽量减小传热平均温差，减少系统的熵增［１６］。

另一方面，乙烯装置中各精馏塔的塔顶设有冷凝器，需要不同温阶的冷剂进行冷却。

在这些塔顶冷凝器中，均为纯度较高的产品，冷凝温度基本维持不变，此时采用纯工质冷剂则更好。

因而考虑在裂解气预冷冷箱中采用混合冷剂制冷，在各塔的塔顶冷凝器采用纯工质冷剂制冷，这种集成了混合冷剂和纯工质复叠制冷的组合式制冷系统就可以使裂解气的分离过程制冷效率提高，能耗降低。

二元制冷系统［４］只用混合制冷系统替代了乙烯压缩机负担的温位，没考虑到丙烯制冷循环中也有可用混合冷剂替代的部分。

三元制冷系统［５］用混合制冷系统完全替代纯工质复叠制冷系统，其功耗高的原因就在于在各塔冷凝器中损失的能耗大于在裂解气预冷中节省下来的能耗，并且在运行中仍存在许多问题［１７］。

本文设计组合制冷系统与其他制冷系统不同在于考虑了所有乙烯深冷分离过程可以使用混合制冷系统的分过程，并集中使用一套独立的多元混合制冷系统提供冷量，该系统应用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ进行模拟计算，并采用遗传算法对其优化。

系统的性能评价以设计采用的传统丙烯－乙烯复叠制冷系统为基准。

１　乙烯深冷分离过程
１．１　裂解气分离工艺流程
本文针对某２００ｋｔ·ａ－１乙烯装置进行分析，其设计采用目前广泛应用的前脱氢分离流程和高压脱甲烷工艺［１８］，流程图如图１所示。

压缩后的裂解气进入冷箱冷却分离的具体工艺流程如下：裂解气经过－７、－２３、－４０℃丙烯冷剂和－３６℃循环乙烷预冷到－３７℃，在第一气液分离罐分成气液两相，液态烃进脱甲烷塔；气态烃经－５２、－７４℃乙烯冷剂、尾气和高压甲烷在第二气液分离罐冷却到－７２℃，出来的气液两相，液态烃进脱甲烷塔；气态烃经尾气和高压甲烷、－１０２℃乙烯冷剂冷却到－９８℃进入第三气液分离罐被分成气液两相，液相回热后作为脱甲烷塔进料；气相部分经尾气和高压甲烷冷却到－１３０℃后进入第四气液分离罐，被分成气液两相，液相回热后作为脱甲烷塔进料，气相进入氢气冷箱，冷凝后进入氢气－甲烷分离罐（第五气液分离罐），气相作为尾气回收冷量，液相甲烷则经节流膨胀后得到－１６０℃的低温作为冷箱
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　第１０期 谢娜等：乙烯深冷分离中变温冷却过程制冷系统的设计与优化
图１　前脱氢高压脱甲烷工艺流程示意图
Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｏｒｍｅｒ　ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｅｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｌｏｗ１～５，７—ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ　ｓｅｐａｒａｔｏｒ；６—ｄｅｍｅｔｈａｎｉｚｅｒ；８—ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；９—ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｃｏｏｌｅｒ；１０～１２—ｅｔｈｙｌｅｎｅｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｃｏｏｌｅｒ；１３—ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ；１４—ｒｅｆｌｕｘ　ｐｕｍｐ；１５—ｔｏｗｅｒ　ｋｅｔｔｌｅ　ｒｅｂｏｉｌｅｒ；１６～２０—ｃｏｏｌｉｎｇ　ｂｏｘ
低温冷源，并回收尾气中的乙烯、富集氢气。

该厂深冷分离过程的制冷系统为丙烯、乙烯复叠制冷系统。

在丙烯－乙烯复叠制冷系统流程中，丙烯冷剂经丙烯压缩机压缩后，经冷却水冷却后全部冷凝，在不同压力下闪蒸，得到不同温度的液相，来提供不同温阶的冷量（最低可达－４５℃）。

乙烯制冷循环大体相同，不同之处在于乙烯冷剂从乙烯压缩机出口，先经冷却水再经丙烯冷剂冷却，从而被全部冷凝，可提供更低的温度（约－１００℃）。

对于少量更低温度需求的冷量，则可通过甲烷－氢馏分的等熵膨胀而获得。

１．２　冷负荷需求
在乙烯装置低温分离系统中，冷箱内自身产品作为冷物流供冷不计入制冷系统，因此制冷系统需要提供冷量的地方在裂解气预冷用的丙烯冷却器、乙烯冷却器以及各塔塔顶冷凝器。

通过上文提到的２００ｋｔ·ａ－１乙烯装置低温分离流程的设计参数进行计算裂解气从冷却水冷却后到分离出乙烯产品共需消耗冷量：２４１２２．０ｋＷ。

其中各塔顶冷凝器占６９％，预冷用冷却器占３１％。

表１是各塔塔顶冷凝器的冷负荷，表２是裂解气分离过程不同温阶所需冷量汇总，物流１～６为裂解气在预冷冷箱中的降温过程，物流７～１０为裂解气分离过程，即经过各精馏塔分离后在各精馏塔塔顶冷凝过程。

由裂解气的降温过程绘制负荷曲线，如图２所示。

从图中可以看出，裂解气的整个换热负荷曲线可以分为变温冷却过程和定温冷凝过程，裂解气预冷分离为变温冷却过程，各塔顶冷凝为定温冷凝过
表１　各塔塔顶冷凝器热负荷
Ｔａｂｌｅ　１　Ｈｅａｔ　ｌｏａｄ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｔｏｗｅｒ　ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒＩｔｅｍ
Ｔｏｗｅｒ　ｔｏｐ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃
Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃
Ｈｅａｔ
ｌｏａｄ／ｋＷ
Ｒａｔｉｏｄｅｍｅｔｈａｎｉｚｅｒ－９６～－９７．６－９９．８　５８０　０．０３ｄｅｅｔｈａｎｉｚｅｒ－１５．１～－１６．２－２１．６　３０００　０．１８ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ－３６．０－３９．３　１０２４０　０．６２ｄｅｐｒｏｐａｎｉｚｅｒ　１３．５～１３．１　６．６　２８３０　０．１７ｔｏｔａｌ——１６６５０　１．００表２　裂解气分离过程不同温阶所需冷量Ｔａｂｌｅ　２　Ｈｅａｔ　ｌｏａｄ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔａｇｅ　ｉｎ
ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｇａｓ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ
Ｓｔｒｅａｍ
Ｎｏ．
Ｉｎｌｅｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
／℃
Ｏｕｔｌｅｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
／℃
Ｈｅａｔ　ｌｏａｄ
／ｋＷ１　４７．５　１３．０　１２８２．７
２　１３．０－４．０　１３７１．３
３－４．０－１５．０　１５６３．３
４－１９．３－３２．０　１４０７．２
５－３２．０－７０．８　１４１７．６
６－８２．７－９８．６　４２９．９
７－９６．０－９７．６　５８２．３
８－１５．１－１６．２　３００１．４
９－３６．０－３６．０　１０２３９．０１０　１３．５　１３．１　３１７５．１程。

由于纯工质制冷为恒温制冷过程，而混合工质制冷过程存在温度滑移，为更好匹配冷源与热源以减少制冷能耗，本文根据换热特点提出在乙烯分离系统中定温冷凝采用纯工质制冷，变温冷却采用混合工质制冷的组合式制冷方案。

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·化　工　学　报 第６４卷　
图２　裂解气负荷图
Ｆｉｇ．２　Ｇｒａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　
ｇａｓ　
２　组合式制冷系统及其优化
２．１　混合工质制冷与纯工质制冷的组合方案
本文提出多元混合工质制冷和纯工质复叠制冷组合的乙烯低温分离制冷系统。

纯工质制冷用于精馏塔顶低温产品冷凝吸热，混合冷剂制冷用于裂解气变温冷却过程。

纯工质制冷蒸发温度不变，与单一工质换热可以使换热过程维持较小的换热温差；混合冷剂可实现大温差蒸发，与裂解气物流的降温曲线进行匹配可使换热过程优化。

这种组合正好可以对应于乙烯深冷过程的两种换热过程（定温、变温）
，并能同时发挥纯工质制冷和混合冷剂制冷的优点，实现最佳的换热冷源匹配，以降低乙烯低温分离制冷系统的能耗。

该制冷组合系统在各塔塔顶冷凝仍采用纯工质
制冷，与传统的乙烯－丙烯制冷系统相同，故这部分能耗相同，不列入本文的两种制冷系统的能耗对比。

因此，本文只分析组合制冷系统中用于裂解气变温冷却的混合冷剂制冷系统的能耗。

表３为裂解气在预冷过程（裂解气温度由３９℃降到－７０．８℃）的功耗及制冷系统冷剂方案。

２．２　裂解气预冷过程混合工质制冷系统的优化设
计与计算
２．２．１　建模　现有的二元制冷系统［４］
采用的是二
元混合冷剂循环与丙烯制冷循环相复叠，但由于混
合制冷系统的复杂性，将大大增加整个系统的复杂
性，容易造成恶性循环［
１９］。

因此，本文采用独立的混合工质制冷系统，不与别的制冷系统复叠。

Ａｓｐ
ｅｎ　Ｐｌｕｓ软件用于模拟乙烯装置中深冷系统的工艺流程可得到较好的结果，故运用该软件建立了多元混合冷剂制冷系统的模型，模拟范围只包括制冷系统及相关的工艺物流。

通过调整冷剂组分、冷剂干度及节流后压力等变量得到循环最优解。

由于寻优过程范围广、计算量大，本文采用遗传算
法［
２０］
计算。

裂解气进料的物料平衡和能量平衡见表４、表５。

混合冷剂由甲烷、乙烯、丙烯和异戊烷组成。

图３是多元混合冷剂制冷循环流程图。

该制冷系统流程包含ＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ２两级压缩，中间冷却，压缩之后的高压混合冷剂依次进入４个冷箱换热器ＥＸ１～ＥＸ４换热。

各换热器中热物流是高压冷剂和裂解气物流ＳＴＲ１～５，冷物流是经过节流ＥＶ１后的低压冷剂。

表３　裂解气预冷过程的物流参数及制冷系统冷剂方案
Ｔａｂｌｅ　３　Ｓｔｒｅａｍ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｓ　ｏｆ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｇａｓ　ｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇ　
ｐｒｏｃｅｓｓＳｔｒｅａｍ　Ｎｏ．Ｉｎｌｅｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｏｕｔｌｅｔ　ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｈｅａｔ　ｌｏａｄ／ｋＷＲｅｆｒｉｇ
ｅｒａｎｔＰｕｒｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｓｙ
ｓｔｅｍ　Ｍｉｘｅｄ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｓｙ
ｓｔｅｍ１　３９．０　１３．０　１１３６．１Ｃ３ＭＲ２　１３．０－４．０　１３７１．３Ｃ３ＭＲ３－４．０－１５．０　１５６３．３Ｃ３ＭＲ４－１９．３－３２．０　１４０７．２Ｃ３ＭＲ５
－３２．０
－７０．８　
１４１７．６
Ｃ２
ＭＲ
表４　裂解气物流ＳＴＲ１～５的物料平衡Ｔａｂｌｅ　４　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｂａｌａｎｃｅ　ｏｆ　
ＳＴＲ１—５ＩｔｅｍＦｌｏｗ／ｋｍｏｌ
·ｈ－１Ｈ２ＣＨ４Ｃ２Ｈ４Ｃ２Ｈ６Ｃ３Ｈ６ＴｏｔａｌＴｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｐｒｅｓｓｕｒｅ×１０－５／Ｐａ
ＳＴＲ１　５０５．４９　８９０．４１　９９６．２６　１６１．５０　３４２．６４　２８９６．３０　３９．０　３６．９５ＳＴＲ２—３　５０４．４８　８７９．２５　９５５．６３　１５２．３９　２９３．５５　２７８５．３０　１３．３　３５．８０ＳＴＲ４　５０４．４８　８７９．２６　９５５．６３　１５２．３９　２９３．５５　２７８５．３１－１９．３　３４．７２ＳＴＲ５　
２８０．８９　
４２７．７２　
２９６．６５　
３７．８８　
２９．３８　
１０７２．５２
－３２．１　
３４．４２
·
３９５３·　第１０期 谢娜等：乙烯深冷分离中变温冷却过程制冷系统的设计与优化
图３　多元混合冷剂制冷系统流程图
Ｆｉｇ．３　Ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅ　ｍｉｘｅｄ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ　ｓｙ
ｓｔｅｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　
表５　裂解气物流ＳＴＲ１～５的能量平衡Ｔａｂｌｅ　５　Ｅｎｅｒｇｙ　
ｂａｌａｎｃｅ　ｏｆ　ＳＴＲ１—５Ｉｔｅｍ　ｈｉｎ／ｋＷ　ｈｏｕｔ／ｋＷＳＴＲ１　
５０６０．５４　４０３７．３０ＳＴＲ２—３　３７５４．３０　２２２９．５３ＳＴＲ４　１７７３．３９　２０１．４８ＳＴＲ５　
５０３７．８４　
３６６２．７５
为了使流程简化，进行３个假定：
（１
）冷箱换热器两股热流的进口温度相同（或相近）
；（２）换热器的同一截面上两股热流的温度保持一致；
（３）换热器的最小换热温差ΔＴｍｉｎ一致，取ΔＴｍｉｎ＝
３℃。

Ａｓｐ
ｅｎ　Ｐｌｕｓ参数的确定：物性计算选用应用最广泛的ＰＲ方程［２１］
；压缩机过程的等熵效率取０．７８；冷箱换热器压降取５×１０３　
Ｐａ。

２．２．２　优化　优化的目标函数：两台压缩机的功
耗之和最小。

Ｍｉｎｉｍｉｚｅ　ｆ（
Ｘ）＝ｗＣＯＭＰ１＋ｗＣＯＭＰ２（１
）其中，Ｘ为控制向量，ｗＣＯＭＰ１、ｗＣＯＭＰ２分别表示一级压缩机、二级压缩机的耗功，ｋＷ。

优化变量：循环冷剂中甲烷流量、乙烯流量、丙烯流量、异戊烷流量、压缩机出口压力及节流后压力。

为了简化计算两级压缩中间压力按等压比取值。

定义变量向量Ｘ
Ｘ＝［ＰＨ，ＰＬ，Ｆ１，Ｆ２，…，Ｆｎ］
（２
）其中，ＰＨ和ＰＬ分别代表冷剂的冷凝压力和蒸发
压力，１０５　
Ｐａ；Ｆｉ（
ｉ＝１，２，…，ｎ）表示第ｉ种冷剂组分的流量，ｋｍｏｌ
·ｈ－１。

优化过程：流程在进冷箱换热器前进行撕裂，用遗传算法对优化变量进行赋值，并保留每次计算的功耗最小值，最终得到最优值。

寻优计算过程可见文献［２２
］。

３　纯工质复叠制冷系统中裂解气预冷
变温过程的功耗计算
传统的乙烯分离装置中，乙烯－丙烯纯工质复叠制冷系统承担各塔顶定温冷凝与裂解气变温冷却所需的全部冷量。

为比较两种制冷系统中裂解气预冷过程的能耗，需分离计算出乙烯－丙烯纯工质复叠制冷系统在裂解气预冷过程产生的能耗。

在丙烯－乙烯复叠制冷系统中，丙烯循环的功耗等于丙烯压缩机功耗，即制冷剂进出压缩机的焓差ΔＨ
ΔＨ＝ｈｏｕｔＭ０－ｈｉｎＭｉ
（３
）式中　ｈｉｎ、ｈｏｕｔ分别为压缩机进、出口比焓值，
ｋＪ·ｋｇ－１；Ｍ０为压缩机出口总流量，ｋｇ·ｈ－１
；
Ｍｉ为压缩机各级吸入端的分流量，ｋｇ
·ｈ－１。

而纯工质复叠制冷系统中的乙烯循环是在丙烯循环的基础上运行的，丙烯冷剂向乙烯冷剂供冷，即增加了丙烯冷剂对应温位所需的流量，它增加了丙烯循环的功耗。

故乙烯循环的功耗等于乙烯压缩机功耗加上丙烯系统由于复叠了乙烯系统所增加的功耗。

丙烯系统由于复叠了乙烯系统所增加的功耗可由丙烯冷剂对应温位所增需的流量及焓差带入式
·
４９５３·化　工　学　报 第６
４卷　
（３）计算。

４　结果与分析
４．１　设计采用的丙烯－乙烯复叠制冷换热过程分析
按照设计参数，上文提到的２００ｋｔ·ａ－１乙烯装置制冷流程的丙烯循环的物流换热数据如表６所示。

根据表６的数据画出集成曲线，并作出丙烯作为冷剂提供冷量时与热物流的换热温差，如
图４所示。

表７是对应的乙烯循环的物流换热数据，其物流换热集成曲线如图５所示。

从图４、图５可以看出在预冷阶段丙烯、乙烯作为冷剂时最大换热温差分别达３２℃和１９℃，造成很大的不可逆损失。

４．２　裂解气预冷变温过程采用乙烯－丙烯复叠制冷
产生的功耗
表８是裂解气预冷过程丙烯循环压缩机各级流
表６　丙烯循环的物流换热数据
Ｔａｂｌｅ　６　Ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｓｔｒｅａｍｓ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙ
ｓｔｅｍＳｔｒｅａｍＮｏ．Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔＩｎｌｅｔｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｏｕｔｌｅｔ
ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇ
ｅ　ｓｔｒｅａｍＳｔｒｅａｍ　
ｎａｍｅＩｎｌｅｔｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｏｕｔｌｅｔ
ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｈｅａｔ　
ｌｏａｄ／ｋＷ１　１００．３　４６．２ＣＷ—
—
７５１０．６３２　４６．２　４４．０ＣＷ
——１８３８４．７１３　４４．０　２２．０ｃｏｌｕｍｎ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｄｅｍｅｔｈａｎｉｚｅｒ　８．４　１１．８　２５４３．６０４　４４．０－１４．９ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｆｒｏｍ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔａｎｋ——２６６４．５６５　４４．０－３３．０ｅｔｈａｎｅ　ｃｙｃｌｅ　ｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｒ－３６．０　３７．４　１１８１．９７６　１６．９　７．１ｒｅｂｏｉｌｅｒ　ｏｆ　ｄｅｍｅｔｈａｎｉｚｅｒ　８．４　１０．０　３１８６．１９７　６．６　６．６ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｇａｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　４ｃｏｏｌｅｒ　３９．０　１４．０　２０８８．８５８　６．６　６．６ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｏｆ　ｄｅｐｒｏｐａｎｉｚｅｒ　１３．５　１３．１　２８２７．４０９　６．６　６．６ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｏｏｌｅｒ　４７．５　１３．０　１４６．５５１０　６．６　６．６ＣＷ　４０．０　３５．０　２４３１．９６１１　６．６　６．６ＣＯ　１５．９　１４．９　１６８９．９３１２　６．６　６．６Ｃ２
３９．０　１０．０　５２４．２８１３　６．６　５．６ｃｏｌｕｍｎ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ－７．９－７．９　５５８２．６７１４－６．７－６．７ｆｅｅｄ　ｏｆ　ｄｅｍｅｔｈａｎｉｚｅｒ　１３．３－４．０　１１７７．００１５－６．７－６．７Ｃ２１０．０－３．６　２５９．３６１６－２１．６－２１．６Ｃ２
－１６．４－１７．０　９８９．７６１７－２１．６－２１．６ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｏｆ　ｄｅｅｔｈａｎｉｚｅｒ－１５．２－１６．２　３００２．１９１８－２１．６－２１．６ｆｅｅｄ　ｏｆ　ｄｅｍｅｔｈａｎｉｚｅｒ－４．０－１５．０　１５０７．３０１９－３９．３－３９．３Ｃ２
－１７．１－３６．０　４２２．１９２０－３９．３－３９．３ｆｅｅｄ　ｏｆ　
ｄｅｍｅｔｈａｎｉｚｅｒ－１９．３－３２．０　１３９５．６８２１－３９．３－３９．３Ｃ２ｈ
ｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ　ｇｒｅｅｎ　ｏｉｌ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ－７．３－２１．６　６３５．０３２２
－３９．３
－３９．３
ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｏｆ　ｅｔｈｙ
ｌｅｎｅ　ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ－３６．０
－３６．０　
１０２３９．３０
Ｎｏｔｅ：ＣＷ—ｃｏｏｌｉｎｇ　
ｗａｔｅｒ；ＣＯ—ｍｏｎｏｘｉｄｅ　ｃａｒｂｏｎ；Ｃ２—ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ．表７　乙烯循环的物流换热数据
Ｔａｂｌｅ　７　Ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｓｔｒｅａｍｓ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙ
ｓｔｅｍＳｔｒｅａｍＮｏ．Ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔＩｎｌｅｔｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｏｕｔｌｅｔ
ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇ
ｅ　ｓｔｒｅａｍＳｔｒｅａｍ　
ｎａｍｅＩｎｌｅｔｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｏｕｔｌｅｔ
ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｈｅａｔ　
ｌｏａｄ／ｋＷ１　７８．０　３９．０ＣＷ——６８８．１６２　３９．０　１０．０Ｃ３６．６　６．６　５２３．３２３　１０．０－３．６Ｃ３
－６．７－６．７　２５９．４９４－３．６－１６．４ｍｉｄｄｌｅ　ｒｅｂｏｉｌｅｒ　ｏｆ　ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ－２８．６－２８．６　１７８４．２４５－１６．４－１７．１Ｃ３－２１．６－２１．６　９８９．２６６－１７．１－３６．０Ｃ３
－３９．３－３９．３　６３５．４３７－５１．６－５１．６ｃｏｌｄ　ｂｏｘ－３２．１－７０．８　７７８．０８８－７３．６－７３．６ｃｏｌｄ　ｂｏｘ－３２．１－７０．８　１６３５．６０９－９９．８－９９．８ｃｏｌｄ　
ｂｏｘ－８２．７－９８．６　５７６．８８１０
－９９．８
－９９．８
ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｏｆ　
ｄｅｍｅｔｈａｎｉｚｅｒ－９６．０
－９７．６　
４０１．２６
Ｎｏｔｅ：Ｃ３—
ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ．·
５９５３·　第１０期 谢娜等：乙烯深冷分离中变温冷却过程制冷系统的设计与优化
表８　预冷过程丙烯压缩机功耗计算参数
Ｔａｂｌｅ　８　Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎ　ｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇ　
ｐｒｏｃｅｓｓＩｔｅｍ　
Ｅｎｔｈａｌｐｙ／ｋＪ·ｋｇ
－１　Ｆｌｏｗ／ｋｇ
·ｈ－１　Ｆｌｏｗ　ｒａｔｉｏｅｎｔｒａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｏｒｔｈ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｓｔａｇｅ　３８３．８４５８　１２４３４．０５　０．２１ｅｎｔｒａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｉｒｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｓｔａｇｅ　３７０．９５０５　１７９９２．１８　０．３０ｅｎｔｒａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｅｃｏｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｓｔａｇｅ　３５５．４５９３　１５８５８．５５　０．２６ｅｎｔｒａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｉｒｓｔ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｓｔａｇｅ　３３６．２０００　１３５６１．１１　０．２３ｏｕｔｌｅｔ　ｏｆ　ｃｏｍｐ
ｒｅｓｓｏｒ　５２２．１３５８　
６０４７７．３１　
１．０
０
图４　丙烯循环的物流换热集成曲线Ｆｉｇ．４　Ｇｒａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｐｒｏｐｙ
ｌｅｎｅｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙ
ｓｔｅｍ
图５　乙烯循环的物流换热集成曲线Ｆｉｇ．５　Ｇｒａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｅｔｈｙ
ｌｅｎｅｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙ
ｓｔｅｍ　
表９　预冷过程乙烯压缩机功耗计算参数Ｔａｂｌｅ　９　Ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎ　ｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇ　
ｐｒｏｃｅｓｓＩｔｅｍ
Ｅｎｔｈａｌｐｙ／ｋＪ·ｋｇ
－１
Ｆｌｏｗ／ｋｇ
·ｈ－１
Ｆｌｏｗｒａｔｉｏ
ｅｎｔｒａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｅｃｏｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｓｔａｇｅ　１９６．４０２８　１３３７８．５７　１．００ｏｕｔｌｅｔ　ｏｆ　ｃｏｍｐ
ｒｅｓｓｏｒ　３９８．３３２２　１３３７８．５７　１
．００量及焓值，再由式（３）计算得到丙烯循环的功耗为２６６７．８７ｋＷ。

表９是预冷过程乙烯循环压缩机各
级流量及焓值，计算可得乙烯压缩机功耗为５７６．５６
表１０　预冷过程丙烯乙烯复叠功耗
Ｔａｂｌｅ　１０　Ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｔｈｙｌｅｎｅ－ｐｒｏｐｙ
ｌｅｎｅ　ｃａｓｃａｄｅｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇ　
ｐｒｏｃｅｓｓＩｔｅｍ
Ｈｅａｔ　
ｌｏａｄ／ｋＷＰｏｗｅｒ
ｃｏｎｓｕｍｐ
ｔｉｏｎ／ｋＷｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｃｙｃｌｅ　５４７７．９　２６９２．１ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｃｙｃｌｅ　１４１７．６　８５５．０ｔｏｔａｌ　
６８９５．５　
３５４７．１
ｋＷ；同理，可计算出丙烯系统因复叠了乙烯系统
所增加的功耗约为２７８．４４ｋＷ，将这部分功耗计入
乙烯循环的功耗，可得乙烯循环的功耗为８５５．０ｋＷ。

故预冷过程丙烯乙烯复叠制冷系统的功耗为３５４７．１ｋＷ，结果列于表１０。

４．３　变温热源采用独立混合工质制冷系统优化
结果
最优工况下系统流程的各点温度、压力以及流量标注在图５。

图６～图９
是混合冷剂系统流程中图６　Ｅｘ１换热器的换热曲线Ｆｉｇ．６　Ｅｘ１ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇ
ｅ４个冷箱换热器的换热曲线图。

图６中的冷箱换热器Ｅｘ１最大换热温差为２２℃，图中冷物流换热中出现拐点，说明冷剂进入Ｅｘ１后过冷，更好的优化可使损失进一步降低。

图７～图９中Ｅｘ２～Ｅｘ４冷箱换热器的冷热物流换热曲线平滑，匹配度高，大大降低了不可逆损失。

从图中的温差曲线可看出冷箱换热器Ｅｘ２最大换热温差约为１０℃，冷箱换
·
６９５３·化　工　学　报　
　第６
４卷　
表１１　混合制冷系统运行参数的优化结果
Ｔａｂｌｅ　１１　Ｏｐｔｉｍａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｍｉｘｅｄ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍＦｌｏｗ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ＭＲ／ｋｍｏｌ
·ｈ－１ＣＨ４／％（ｍｏｌ）Ｃ２Ｈ４／％（ｍｏｌ）Ｃ３Ｈ６／％（ｍｏｌ）Ｃ５Ｈ１２／％（ｍｏｌ）Ｈｅａｔ　
ｌｏａｄ／ｋＷＰｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ／ｋＷＯｕｔｌｅｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆｃｏｍｐ
ｒｅｓｓｏｒ×１０－５／
ＰａＰｒｅｓｓｕｒｅ　
ａｆｔｅｒｔｈｒｏｔｔｌｅ×１０－５／Ｐａ
２１３９．７６４　
３．７　
１５．４　
３４．９　
４６　
６８９５．５　
３０２５．５　
５．９４　
１．４３
表１２　制冷系统功耗对比
Ｔａｂｌｅ　１２　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙ
ｓｔｅｍｓＳｔｒｅａｍＮｏ．Ｉｎｌｅｔｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｏｕｔｌｅｔ
ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ／℃Ｈｅａｔ　
ｌｏａｄ／ｋＷＴｏｔａｌ　
ｈｅａｔｌｏａｄ／ｋＷ
Ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆ　ｐｕｒｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｓｙｓｔｅｍ／ｋＷＰｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆ　ｍｉｘｅｄ　ｒｅｆｒｉｇ
ｅｒａｎｔｓｙ
ｓｔｅｍ／ｋＷＬｏｗｅｒ　ｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐ
ｔｉｏｎ／ｋＷ
Ｒａｔｉｏ
／％
１　３９　１３　１１３６．１２　１３－４　１３７１．３３－４－１５　１５６３．３　６８９５．５　
３５４７．１　
３０２５．５　
５２１．６　
１４．７
４－１９．３－３２　１４０７．２５
－３２
－７０．８　
１４１７．
６
图７　Ｅｘ２换热器的换热曲线Ｆｉｇ．７　Ｅｘ２ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇ
ｅ
图８　Ｅｘ３换热器的换热曲线Ｆｉｇ．８　Ｅｘ３ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇ
ｅ　
热器Ｅｘ３、Ｅｘ４最大换热温差均为７．５℃。

混合制冷系统运行参数的优化结果列于表１１，在最优工况下运行时系统的总功耗为３０２５．５ｋＷ。

４．４　裂解气预冷过程两种制冷系统对比分析
图１０
是裂解气预冷过程纯工质复叠制冷系统
图９　Ｅｘ４换热器的换热曲线Ｆｉｇ．９　Ｅｘ４ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇ
ｅ
图１０　裂解气预冷过程不同制冷系统换热曲线的对比Ｆｉｇ．１０　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｇｒａｐｈ　ｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　ｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇ　
ｐｒｏｃｅｓｓ　
和混合工质制冷系统换热曲线的对比图。

从图中可知，与纯工质相比，混合工质与裂解气之间的换热温差大大减小。

表１２是传统制冷系统与混合冷剂系统的功耗
·
７９５３·　第１０期 谢娜等：乙烯深冷分离中变温冷却过程制冷系统的设计与优化
对比，表明在替代原制冷系统６８９５．５ｋＷ冷量负荷的情况下，可节省５２１．６ｋＷ功耗，占优化部分总功耗的１４．７％。

５　结　论
（１）根据乙烯装置中低温分离的用冷需求，本文提出了混合冷剂制冷和纯工质冷剂复叠制冷相组合的制冷系统，即在裂解气预冷的变温冷却过程采用混合冷剂制冷，而在各塔的塔顶的定温冷凝采用纯工质冷剂制冷。

（２）组合制冷系统中的混合冷剂系统使换热过程的换热温差尽可能减小，降低换热过程的不可逆损失。

本文针对某２００ｋｔ·ａ－１乙烯装置中的变温冷却过程采用混合工质制冷，所需冷量约６８９５．５ｋＷ。

通过优化计算，冷箱换热器Ｅｘ１最大换热温差为２２℃，其他３个冷箱换热器最大换热温差均不超过１０℃。

与原来设计的传统制冷系统相比，可节省５２１．６ｋＷ功耗，占优化部分总功耗的１４．７％，经济效益显著。

Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ
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ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｐｌａｎｔ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ
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ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ（化工进展），２０１１，３０（ｓｕｐｐｌ．）：
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·化　工　学　报 第６４卷　。