膜分離回收技術(shù)在粗苯加氫裝置中的應(yīng)用

姚 勇，王留栓，潘愛軍，劉春迎

(中平能化集團(tuán)尼龍化工公司河南平頂山 467000)

膜分離回收技術(shù)在粗苯加氫裝置中的應(yīng)用

姚 勇，王留栓，潘愛軍，劉春迎

(中平能化集團(tuán)尼龍化工公司河南平頂山 467000)

分析了膜分離氫回收技術(shù)在粗苯加氫裝置中的應(yīng)用，著重對(duì)平頂山神馬奔騰化工股份有限公司粗苯加氫工藝中引入的膜分離氫回收技術(shù)做了詳盡的介紹。

膜分離;氫回收 ;工藝;粗苯加氫

氫氣膜分離技術(shù)主要用來從含氫氣體的混合氣中分離和提濃氫氣。它之所以在氣體膜分離技術(shù)中占有如此重要位置的原因不僅是因?yàn)闅錃庠诨ず褪I(yè)中的重要性，而且還在于氫氣膜分離所具有的技術(shù)適用性和經(jīng)濟(jì)合理性。本研究內(nèi)容著重研究在國內(nèi)苯加氫行業(yè)中，弛放中氫氣的膜回收問題。

目前，我國有幾十套苯加氫精制裝置，這些裝置無一例外的都要用到氫氣作為原料來精制粗苯。神馬奔騰化工公司采用的高壓法噸產(chǎn)品耗氫氣在300Nm3左右，而低壓法噸產(chǎn)品耗氫氣在100Nm3左右，氫氣使用后的排放氣體含有70%(體積分?jǐn)?shù))的氫氣，每小時(shí)有1000Nm3的氣體送入燃料氣管網(wǎng)被燒掉，浪費(fèi)了寶貴的氫資源。如果將這部分氫氣加以回收利用，每年可以回收氫氣320萬Nm3左右，將創(chuàng)造良好的社會(huì)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 氫氣膜回收的現(xiàn)狀

1.1 膜材料

從早期的醋酸纖維中空纖維、聚砜發(fā)展到現(xiàn)在的聚酰胺、聚酰亞胺，不但使氫氣選擇性提高了4～5倍，而且使工作溫度也提高2～3倍。這樣極大地提高了氫氣分離膜的效率。

1.2 膜結(jié)構(gòu)

早期制造的復(fù)合膜，底膜呈手指狀的大孔，阻力雖小，但不耐壓?，F(xiàn)在制造的復(fù)合膜，底膜呈蜂窩狀小孔，阻力也不大，但能承受高壓，使膜的耐壓差提高了2～3倍。當(dāng)膜材料和膜面積確定后，氣體滲透量和膜兩側(cè)壓差成正比，耐壓差的提高將增大氣體的滲透量。

1.3 膜組件的型式

從早期的平板式，發(fā)展到現(xiàn)在的螺旋卷式和中空纖維式，不但提高了膜的耐壓程度，而且增大了膜的比表面積(即單位體積的膜面積)。平板式的比表面積為300m2/m3，螺旋卷式為1000m2/m3，中空纖維式為15000m2/m3;如以平板式比表面積為1，則螺旋卷式為3.3，中空纖維式為50，比表面積增大至50倍，極大地提高了反應(yīng)器的工作效率，減少了反應(yīng)器的占地面積。

在取得以上的進(jìn)展后，出現(xiàn)了現(xiàn)在的耐溫、耐壓、氫氣選擇性高、滲透氣量大的氫氣分離膜，從而為氫氣分離膜在化工和石油化工工業(yè)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

粗苯高溫加氫精制過程中，將產(chǎn)生一部分弛放氣，以維持反應(yīng)系統(tǒng)氫氣分壓，保持轉(zhuǎn)化率。弛放氣組分中氫氣占70% ～75%，其余大部分為C1～C4氣體，在該領(lǐng)域的氫氣膜回收應(yīng)用，目前國內(nèi)尚沒有開展。因此，本研究項(xiàng)目將對(duì)國內(nèi)苯加氫裝置的弛放氣的膜回收氫氣技術(shù)進(jìn)行探討和研究。

2 從粗苯精制的弛放氣中回收氫

平頂山神馬奔騰化工公司有一套3.5萬t/a粗苯精制裝置，采用LITOL法加氫工藝，反應(yīng)壓力5.5MPa(g)，反應(yīng)溫度為600～630℃，每小時(shí)補(bǔ)充氫氣1300Nm3，弛放氣為800Nm3/h，其中氫氣含量為70%左右，其余為甲烷等低碳烷烴，其組成見表1。

循環(huán)氣體的壓力在5.5MPa(g)左右，補(bǔ)充氫氣的壓力為0.6MPa(g)左右，非滲透氣壓力為0.35MPa(g)左右，膜兩側(cè)的壓差4.9MPa(g)左右，得到的氫氣純度能夠滿足補(bǔ)充氫氣的要求，這樣的工藝狀況是非常適合膜的運(yùn)行。

表1 精苯裝置循環(huán)氣體分析表

3 技術(shù)方案及技術(shù)分析

采用美國空氣公司生產(chǎn)的Prism膜(材質(zhì)為聚酰亞胺中空纖維)，對(duì)其中的氫氣進(jìn)行回收。方案如圖1所示:

圖1 Prism膜氫回收工藝示意圖

膜分離的工藝可分為預(yù)處理和膜分離兩部分。

原料氣以5.25MPa(g)的壓力，約45℃的溫度進(jìn)入。原料氣由水洗塔(T601)的底部進(jìn)入，高壓熱水經(jīng)減壓閥減壓至5.4MPa(g)進(jìn)入冷卻器冷卻至40℃后送到水洗塔的頂部，為確保水洗效果，設(shè)有脫鹽水低流量聯(lián)鎖FSLL(FIS－603)報(bào)警。水洗塔內(nèi)裝有高效填料，可使原料氣與洗滌水充分接觸。含胺水從塔底排出，并由 LICSA－601控制LV－601調(diào)節(jié)閥直接送出界區(qū)。洗后氣體從塔頂出來，該氣體含有該溫度壓力下的飽和水蒸氣及霧沫，為防止液體進(jìn)入膜分離系統(tǒng)，原料氣體又經(jīng)過氣液分離器(D601)用于除去夾帶的霧沫，并設(shè)有液位顯示及報(bào)警;出來的氣體再經(jīng)過高效過濾器將氣體中液滴進(jìn)一步除去。

離開高效過濾器的原料氣含有該溫度、組成下的飽和水蒸氣。為避免水蒸氣在普里森分離器滲透側(cè)濃縮后凝結(jié)，并使分離器處于最優(yōu)化的工作狀態(tài)，設(shè)一進(jìn)料加熱器E－601將原料氣升溫至80℃，該加熱器加熱介質(zhì)為低壓蒸汽，通過TISCA－601進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，并設(shè)有原料氣溫度高低報(bào)警及高聯(lián)鎖。

加熱后的原料氣離開裝置的預(yù)處理單元，進(jìn)入膜分離器X－601回收其中的氫氣，富氫的滲透氣通過中空纖維膜管壁從靠近分離器原料氣入口的滲透氣管口離開，經(jīng)計(jì)量后管輸送出界區(qū)。非滲透氣離開普里森分離器的殼程，經(jīng)減壓后直接去用戶的燃料氣管網(wǎng)。

4 膜運(yùn)行情況與分析結(jié)果

表2 運(yùn)行72h時(shí)的分析結(jié)果

設(shè)計(jì)公稱處理能力:500～1400Nm3/h，本次運(yùn)行時(shí)膜的處理量為 700Nm3/h。設(shè)計(jì)要求:500Nm3/h，回收率 95.0% ，純度 91.5%;1400Nm3/h，回收率83.0%，純度96.0%。72h分析結(jié)果詳見表2。

從表2看出，本次運(yùn)行時(shí)滲透氣的H2濃度為90.62%，氫氣回收率 79.7%。

運(yùn)行時(shí)裝置能耗:普里森膜氫回收裝置提供的公用工程包括電、蒸汽、儀表空氣、冷凍水、鍋爐水、氮?dú)?。電主要供儀表用電;蒸汽用來加熱原料氣;儀表空氣用于現(xiàn)場(chǎng)儀表的操作和控制;氮?dú)庥糜谠陂_車前吹掃、置換管路。

公用工程消耗如下:低壓蒸汽，0.6MPa(g)，60kg/h;儀表空氣，0.4～0.6MPa(g)，＜5Nm3/h;鍋爐水 6MPa(g)、100℃，300kg/h;冷凍水，0.6MPa(g)5℃，3.5t/h。

膜分離系統(tǒng)運(yùn)行以來，膜分離的氫氣一直作為補(bǔ)充氫氣通過補(bǔ)充氫氣壓縮機(jī)重新進(jìn)行反應(yīng)系統(tǒng)，作為原料，由于通過膜分離回收了外排燃料氣中近80%左右的氫，使苯加氫的單耗從原來的300Nm3下降到165Nm3，減少了原料氫氣的使用，降低了苯精制裝置的消耗。

5 經(jīng)濟(jì)核算

各種原料及消耗的單價(jià)如下(按2008年底公司內(nèi)部結(jié)算價(jià)計(jì)):氫氣，1.7元/Nm3;冷凍水［0.6MPa(g)5℃］，4.44元/t;0.6MPa蒸汽，90元/t;鍋爐水［6MPa(g)、100℃］，14.77元/t;儀表空氣，0.16元/Nm3。該膜回收裝置每小時(shí)回收氫氣約397.28Nm3;耗費(fèi)675.38元;消耗蒸汽5.4元;消耗冷凍水15.54元;消耗鍋爐水4.43元;儀表空氣0.8元。裝置每年運(yùn)行時(shí)間為8000h，每年的經(jīng)濟(jì)效益520萬元。裝置投資100萬元，投資回收期為2.5個(gè)月。該裝置能耗極低，裝置操作彈性大。在設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%～150%的情況下，裝置都能正常運(yùn)行。

6 總結(jié)

隨著膜回收裝置的運(yùn)行，裝置的處理能力的提高，回收利用氫氣的量逐漸加大，有效降低了精苯的成本，緩解了氫源的緊張情況。膜分離技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)越性，無疑將發(fā)揮越來越大的作用。

TQ028.8

B

1003－3467(2011)03－0050－03

2010－09－15

姚 勇(1971－)，男，工程師，從事化工生產(chǎn)管理工作，電話:(0375)3816587。