导语
乙烯制冷系统（R1150）是石化深冷分离装置中不可替代的超低温冷源，承担-100°C至-60°C温区的制冷任务。乙烯裂解装置的冷箱分离、乙烯储罐气体再液化等关键工艺均依赖乙烯制冷系统的稳定运行。由于乙烯沸点低（-103.7°C）且极易燃，乙烯制冷系统在材料选择、密封设计、安全防护等方面均面临比丙烯制冷系统更为严苛的工程挑战，是石化冷分离系统中技术门槛最高的子系统之一。
一、乙烯在深冷分离中的核心地位
乙烯（化学式C₂H₄，制冷剂编号R1150）常压沸点-103.7°C，临界温度9.2°C，临界压力5.04 MPa。这一热力学特性决定了乙烯制冷系统能够在-100°C至-60°C范围内提供冷量，是氨制冷（最低约-33°C）和丙烯制冷（最低约-47°C）无法覆盖的超低温区间。
在乙烯裂解装置中，裂解气经急冷、压缩、干燥后进入冷箱，需要逐级冷凝分离甲烷、乙烯、乙烷、丙烯等组分。整个冷箱系统通常由三级制冷循环协同提供冷量：
| 制冷循环 | 制冷剂 | 蒸发温度范围 | 主要用途 |
|---|---|---|---|
| 高温循环 | 丙烯（R1270） | -40°C ~ 0°C | 裂解气预冷、丙烯冷凝 |
| 中温循环 | 乙烯（R1150） | -100°C ~ -60°C | 脱甲烷塔再沸、乙烯冷凝 |
| 低温循环 | 甲烷（R50） | -165°C ~ -120°C | 甲烷冷凝（仅用于MRC工艺） |
乙烯制冷系统在级联架构中处于中间位置：以丙烯制冷作为其冷凝侧冷源，同时为更低温度需求提供基础。正确理解乙烯制冷系统与丙烯制冷系统的热力学耦合关系，是大型乙烯装置冷分离系统集成设计的关键。
二、典型设备配置与选型逻辑
压缩机选型
乙烯制冷压缩机需在-103°C以下的极低温进气条件下可靠运行，对轴承、密封和润滑系统提出特殊要求：
- 大型装置（>5 MW）：首选离心压缩机（轴流-离心组合），配合可调导叶（IGV）实现60%~105%负荷调节范围，轴封采用干气密封，轴承为倾斜块推力轴承
- 中小型装置（<5 MW）：螺杆压缩机配合低温专用润滑油，注意润滑油在-40°C以下黏度急剧上升，需采用低凝润滑油并设置油加热系统
换热器选型
乙烯制冷系统的蒸发器和冷凝器是系统的核心传热设备：
- 铝板翅式换热器（PFHE）：用于冷箱内多股流换热，可同时处理5~10股不同温度和组分的流体，是乙烯裂解冷箱的标准配置。铝合金材料（3003、5083系列）在-196°C以下仍保持良好韧性
- 降膜式蒸发器：适用于乙烯蒸发单元，制冷剂充注量少（相比满液式减少40%~60%），降低可燃制冷剂库存风险
- 壳管式冷凝器：乙烯被丙烯冷凝的换热器，壳程乙烯/管程丙烯配置，需按低温工况进行材料和结构设计
| 设备 | 推荐类型 | 材料要求 | 标准 |
|---|---|---|---|
| 冷箱换热器 | 铝板翅式 | 铝合金3003/5083 | ASME VIII Div.1, BS EN 1250 |
| 蒸发器 | 降膜式/满液式 | 304L/316L（管箱）、碳钢+低温冲击（壳体） | TEMA, ASME VIII |
| 冷凝器 | 壳管式 | SA-333 Gr.6低温管、SA-350 LF2法兰 | ASME VIII Div.1 |
| 压缩机轴封 | 干气密封 | 碳化硅/钨钢密封面 | API 617 |
三、低温材料选择与冷缩补偿
乙烯制冷系统的操作温度是石化装置中最苛刻的工况之一，低温材料选择直接影响系统安全性：
材料选用原则
碳钢在低温下发生脆性转变，缺口冲击韧性（CVN）随温度降低而急剧下降。ASME标准对低温压力容器的材料使用温度下限有明确规定：
- -46°C至-60°C：SA-333 Gr.6（3.5%Ni钢管）、SA-203 Gr.E（3.5%Ni钢板）
- -60°C至-100°C：304L/316L奥氏体不锈钢，或SA-203 Gr.F（9%Ni钢）
- -100°C以下：9%镍钢（SA-553）或铝合金（5083系列）
冷缩补偿设计
304L不锈钢从室温冷却至-100°C的线性收缩量约为2.8‰，一根100 m长管道在降温过程中将缩短约280 mm。未充分考虑热补偿将导致管道应力超标或支架破坏。主要补偿措施包括：
- 膨胀节（波纹管补偿器）：适用于直管段，吸收轴向位移
- 弯头自然补偿：利用管道走向变化自然吸收热膨胀差
- 滑动支架：允许管道在支架上滑动，避免约束热位移
保温设计要点
乙烯制冷管道和设备的保温材料需具备低导热系数和防潮性能：
- 保温材料：硬质聚氨酯泡沫（PUF）或泡沫玻璃，导热系数λ≤0.03 W/m·K
- 防潮隔汽层：铝箔或不锈钢护壳，防止外界水汽渗入后在低温表面凝结结冰
- 冷箱整体保温：通常采用珍珠岩充填的低温箱体（Cold Box），兼顾保温与防爆围堰功能
四、安全设计要点
乙烯的爆炸极限为2.7%~36%（体积比），闪点约-136°C，任何泄漏事故均可能引发严重后果。乙烯制冷系统的安全设计需重点关注：
防爆区域划分
依据IEC 60079-10或GB 50058，乙烯制冷机房通常划定为2区（Zone 2）；压缩机轴封、安全阀放空口周边1 m范围内划定为1区（Zone 1）。所有电气设备须选用对应防爆等级。
气体检测与紧急切断
- 在机房内设置固定式可燃气体检测仪（LEL检测），探头间距不超过10 m
- 检测值达到25% LEL时触发声光报警，50% LEL时自动切断压缩机并联锁关闭进/出口阀
- 紧急切断阀（ESD Valve）采用弹簧复位型，断电/断气即关闭（Fail-Close）
安全阀与压力保护
- 每台压力容器设置安全阀，排放量覆盖最大可能热量输入工况（如全部冷却水断流）
- 乙烯安全阀放空接入密闭收集系统（Closed Drain），不允许直接放空至大气（易燃）
五、典型应用场景
乙烯裂解装置冷箱：乙烯制冷系统为脱甲烷塔和脱乙烷塔提供-100°C至-60°C段冷量，是裂解气轻重组分分离的核心冷源。
乙烯储罐气体再液化（BOG处理）：储罐蒸发气（BOG）通过乙烯制冷系统再液化后返回储罐，典型BOG压缩后液化温度约-96°C至-104°C。
乙烯装车/装船预冷：低温液态乙烯装载前需将管道和储罐预冷至操作温度，乙烯制冷系统提供预冷冷量，避免因温差过大导致两相流冲击。
利玛特制造能力
利玛特能源装备（苏州）持有ASME U/U2/S/R印章及PED CE认证，能够制造适用于乙烯制冷系统的低温蒸发器、壳管式冷凝器、低温储罐及压力容器。生产设施8000 m²，600+套焊接工艺规程（PQR）覆盖304L/316L、低温钢及9%镍钢等低温材料体系，产品已交付50余个国家的石化及LNG项目，具备DNV、ABS、BV等主要船级社和第三方机构的见证检验配合经验。
联系方式
如需就乙烯制冷系统配套设备进行技术交流或询价，欢迎联系：
联系我们
邮箱：zqb@jnlmart.com
电话：13961036109（朱强彬）
网站：www.jnlmart.net
