冷箱之所以成为强化传热领域的佼佼者，得益于其卓越的传热性能：高传热系数确保了高效的热量传递；单位体积内庞大的传热面积进一步提升了热交换效率；而极小的传热温差则保证了分离过程的精确性与稳定性。此外，冷箱采用集中式保冷设计，有效降低了冷量损失，进一步凸显了其高效节能的特性。

乙烯装置的分离工艺多种多样，这也导致了冷箱配置的多样化。依据碳原子在分离过程中的处理顺序，乙烯分离技术主要划分为三大流派：顺序分离、前脱乙烷前加氢分离以及前脱丙烷前加氢分离。前两者更适用于以石脑油、轻柴油或加氢尾油等液相原料为主的乙烯装置，而后者则特别针对乙烷、丙烷等气相原料占比较高的装置进行优化。

以某采用前脱丙烷前加氢分离流程的具体案例为例（如图1所示），该工艺巧妙地设计了包括C3洗涤塔、C2洗涤塔、冷箱、预脱甲烷塔及脱甲烷塔在内的深冷分离系统。通过精心布局，这一系统不仅实现了物料的高效分配，还显著降低了冷量消耗，同时有效减少了乙烯产品的损失，为乙烯装置的整体性能提升贡献了重要力量。

图1 前脱丙烷前加氢分离流程

乙烯装置中，冷箱的运行环境极端，通常需承受-170℃至40℃的宽幅温度变化，并在4.5至5.0 MPa的高压条件下稳定工作。其核心构造——多组精密设计的铝制板翅式换热器，是冷箱实现高效热交换的关键所在。这些换热器被巧妙地安置于一个由不锈钢精心打造的保冷壳体内，该壳体不仅将换热器、气液分离罐及错综复杂的连接管道紧凑地整合在一起，还通过填充膨胀珍珠岩（俗称珠光砂）等高效绝热材料，构筑起一道坚实的屏障，极大程度地降低了冷量散失，确保了系统的高效运行。

冷箱之所以能成为乙烯低温分离领域的优选方案，归功于其高度的集约化设计、卓越的制冷效率、紧凑的占地面积以及便于集成自动化管理等诸多优势。在全球范围内，冷箱均被广泛应用并视为行业标准。值得骄傲的是，我国已全面掌握乙烯冷箱的设计与制造技术，实现了从设计到生产的全面国产化。然而，面对冷箱运行环境的严苛要求——低温与高压并存，如何延长其使用寿命，确保长期稳定运行，仍是一个亟待科研与工程界共同探索与解决的重要课题。

1 冷箱在乙烯装置生产操作中存在的问题

冷箱堵塞问题，作为乙烯装置运行中普遍面临的挑战，其影响深远且不容忽视。一旦冷箱发生堵塞，堵塞通道内的压差会逐渐累积增大，进而削弱冷箱各流道的流通能力，导致整体换热效率显著下降。这种性能退化不仅会使冷箱及脱甲烷塔等关键冷分离单元的温度异常上升，还会引发氢气纯度下滑、回收率降低以及乙烯损失加剧等一系列连锁反应。在极端情况下，甚至可能迫使深冷分离单元全面停运，严重干扰乙烯装置的长周期安全稳定运行。

因此，冷箱的安全设计与工艺操作的严谨性显得尤为关键。深入剖析冷箱堵塞的根源，主要可归结为四大方面：首先，水分及其与烃类形成的水合物冻堵是常见原因之一，当裂解气在冷箱内冷却至露点以下时，水分凝结并可能与烃类反应生成结晶体，长期积累即形成堵塞；其次，裂解气中的重组分及高凝固点物质（如苯、CO2）在降温过程中析出并沉积于流道内，也是造成冻堵的重要因素；再者，干燥器再生过程中产生的细微碳粉，若未能有效清除，会随裂解气进入冷箱，引发堵塞问题；最后，干燥剂（如3A分子筛）的粉化现象同样不容忽视，其产生的粉尘被裂解气携带进入冷箱后，会加剧堵塞状况。综上所述，针对这些堵塞成因，采取有效措施进行预防与治理，对于保障乙烯装置的高效稳定运行至关重要。

2 冷箱在工艺设计技术方面的问题分析

在大型乙烯装置的冷箱设计中，工艺系统与传热设计的复杂性主要体现在两大挑战上：

1）高度复杂的传热计算，涉及多股流、多组分及相变过程。乙烯生产的原料历经裂解炉的裂解与净化处理后，其进入冷箱的流体成分极为复杂，多达十种不同的组分，且单个换热器内部可能同时处理十五股或更多流体。这些流体在冷箱内需逐级通过冷凝分离，其过程大量依赖两相流冷剂（例如乙烯、丙烯）来提供必要的冷量。由于流体数量众多、组分多样且伴随相变，使得整个换热过程中的热量传递变得异常复杂，极大地增加了换热器传热设计的精确性与挑战性。

2）多台换热器串并联布局下的流体均布难题。随着乙烯装置规模的持续扩大，对换热器的尺寸需求也相应增加。然而，受限于现有设备制造的技术与能力，通常采用多台换热器串联或并联的设计策略以满足需求。这一布局方式虽然有效，但如何确保各股流型各异的流体在进入这些串并联的换热器时，其流量能够维持在一个高度均衡的状态，即实现流体在各个通道内的均匀分布，成为了冷箱大型化进程中一个日益严峻的问题。当前，通过优化换热器的串并联配置，结合精细的流体阻力计算与流道流动性实验数据，对换热器机组进行精确配对与调整，以最大限度地实现流体在冷箱内阻力降的均匀分配，是应对这一难题的有效策略。

3 冷箱在工艺设计优化方面的建议措施

在优化大型乙烯装置冷箱及板翅式换热器的设计与操作过程中，需着重关注以下几点策略与要求：

1）精准设定传热温差阈值：为确保传热效率与稳定性，应将板翅式换热器的最小传热温差设定为不低于3.0℃，极端情况下亦不应低于2.5℃。过低的温差设计将削弱传热驱动力，导致所需换热面积显著增加，并降低系统容错性，影响实际操作中的换热性能。

2）精细化翅片与导流片设计：鉴于冷箱内严苛的传热与压降要求，需开发并应用新型高效翅片结构，如混合翅片，以强化换热性能并降低流体阻力。通过细致调整翅片的高度、节距与厚度等参数，结合实验验证，实现翅片在传热效率、强度、密度及摩擦因子等方面的综合优化，进而减小设备体积、重量及流动阻力，满足大型乙烯冷箱的高可靠性需求。同时，需全面评估冷箱内各流股状态，确保传热设计的合理性与均衡性。

3）优化流股布局以平衡效率与复杂性：在保持集约化原则的基础上，合理控制冷、热流体的流股数量，以避免因流股过多而增加传热设计的复杂性及系统性风险。每增加一股物流，都需细致考量其对整体换热性能的影响，确保系统稳定性。

4）提升工况兼容性：冷箱设计需全面覆盖乙烯装置的正常操作、最大负荷、启停等所有工况，确保在各种条件下均能稳定运行。

5）精确模拟有相变流体的物性：针对气液两相流股，需采用高精度模拟方法，确保传热负荷计算与流程模拟的准确性，特别是焓曲线的精确绘制。

6）强化热虹吸计算的系统性：对板翅式换热器及其附属系统的热虹吸现象进行精确计算，确保工艺传热性能的实现。采用系统工程思维，明确优化原则，实现整体性能的提升。

7）确保流体质量与设备保护：要求流体清洁、干燥，避免对铝制设备造成腐蚀，特别是注意汞对铝的潜在危害。设置高效过滤器及旁路系统，定期清洗维护，以降低堵塞风险。在关键部位设置冗余过滤器、切断阀及密闭排放管线，确保装置安全运行。

8）预防NOx凝固与反应：分析NOx易积聚区域，制定清洗方案，防止其凝固为“蓝冰”造成堵塞，并避免与不饱和烃反应生成硝基塑胶引发爆炸风险。

9）严格控制裂解气组分：通过优化碱洗、洗苯塔操作及乙烯损失控制等措施，确保进入深冷分离的裂解气组分符合设计要求，减少杂质带入系统。

10）精细控制开车过程：在开车阶段，严格控制各通道间温差，遵循缓慢降温原则，避免温度急剧变化导致的设备损坏或泄漏。同时，密切关注深冷系统露点变化，适时进行法兰螺栓冷把紧操作，确保系统安全稳定运行。

4 总结

本文主要讲述了优化乙烯装置冷箱设计需精准控制传热温差、精细设计翅片、合理布局流股、提升工况兼容性、精确模拟物性、强化热虹吸计算，并确保流体清洁、预防NOx积聚、严控裂解气组分、精细控制开车过程，以保障装置高效稳定运行。

航烨能源通过研发高效翅片、优化换热器布局、提升工况兼容性等创新手段，有效提升了冷箱的传热效率与运行稳定性，推动了乙烯装置的大型化、高效化与可靠性发展。其专业技术和创新能力为乙烯工业的发展提供了有力支持。