煉廠氣回收過程中分離技術(shù)的能效分析

李保軍，賀高紅，肖武，代巖，陳博

（大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點實驗室，膜科學(xué)與技術(shù)研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116023）

煉廠氣回收過程中分離技術(shù)的能效分析

李保軍，賀高紅，肖武，代巖，陳博

（大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點實驗室，膜科學(xué)與技術(shù)研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116023）

針對煉廠氣多目標(biāo)回收工藝設(shè)計時缺乏理論指導(dǎo)的問題，本文系統(tǒng)闡述了分離過程能效比的概念，將氣體分離過程中壓力和溫度變化導(dǎo)致系統(tǒng)與外界交換的能量統(tǒng)一用電功表示，得到了分離過程能耗與產(chǎn)品回收量間關(guān)系的定量表示方法；以某廠煉廠氣回收過程為例，比較了不同分離技術(shù)和不同分離過程的能效比。當(dāng)產(chǎn)品氫純度要求不高（≥97%）時，采用變壓吸附（PSA）工藝的能效比較高（0.86），與膜分離工藝相比，提高了28%；當(dāng)產(chǎn)品氫純度要求較高（≥99.9%）時，采用膜分離-PSA工藝可以獲得更高的能效比（0.54），與PSA-膜分離工藝相比，能效比提高了 40%。研究結(jié)果表明：分離過程的能效比可以用于評價不同分離技術(shù)或不同分離過程的能量效率，可用于指導(dǎo)不同分離技術(shù)的適用范圍和多技術(shù)耦合工藝過程的設(shè)計，能夠為煉廠氣回收工藝設(shè)計提供一定的理論指導(dǎo)。

煉廠氣；能效比；分離；回收；數(shù)學(xué)模擬

石油是非常重要的戰(zhàn)略資源和能源，同時也是十分重要的化工原料，被稱為“國民經(jīng)濟(jì)的血液”，據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前石油的消耗已占全世界能源消耗總量的40%。石油已成為世界大多數(shù)國家的經(jīng)濟(jì)命脈，根據(jù)國家海關(guān)總署統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示 2015年我國共進(jìn)口原油3.34億噸，平均每天進(jìn)口約670萬桶［1］。國際油價的波動直接影響著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，據(jù)測算油價每下降10美元，我國企業(yè)和居民的開支將節(jié)省1070億元左右，相當(dāng)于2014年GDP的0.2%［2］。因此，減少石油資源的消耗，不但可以帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且還可以減少我國的石油進(jìn)口量，提高國家的能源安全度。

在石油煉制與加工過程中，通常會有占總加工量 3%～8%的原油以煉廠氣的形式被作為燃料燒掉［3］。而這些煉廠氣中通常仍含有許多較高附加值的組分，如圖1所示。如果能將煉廠氣中的高價值資源充分回收，不但可以極大提高企業(yè)的資源利用率，而且還可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計，對于千萬噸的煉廠，煉廠氣高價資源的充分回收可為企業(yè)帶來2億～3億元/年的經(jīng)濟(jì)效益。如果全國煉廠都能夠充分回收煉廠氣中的高價資源，按2015年原油加工量5.22億噸計算，全年可回收輕烴1000多萬噸，相當(dāng)于一個中型油田的原油當(dāng)量。

為了回收煉廠氣中的高附加值組分，可采用精餾［4］、吸收［5-6］、變壓吸附［7-9］、膜分離［10-12］、部分冷凝［11］等多種分離技術(shù)。在實際操作過程中，采用單一分離技術(shù)雖可以獲得較好的回收效果［14-17］，但受分離技術(shù)自身使用范圍的限制，無法同時對尾氣中的某幾種組分進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效地回收。為提高分離過程的效益或?qū)崿F(xiàn)多組分的同時回收，在分離過程中引入多種分離技術(shù)，打破單一技術(shù)的分離“瓶頸”，從而提高分離過程的經(jīng)濟(jì)效益。如張驚濤［18］同時采用吸附、吸收和精餾技術(shù)實現(xiàn)了煉廠氣中乙烯的回收，降低了分離過程的能耗，提高了分離過程的經(jīng)濟(jì)效益。美國MTR公司［19］采用氫膜-有機(jī)蒸汽 膜-壓縮冷凝技術(shù)組合、大連理工大學(xué)彭琳［20］采用氫膜-有機(jī)蒸氣膜-壓縮冷凝-精餾結(jié)合的集成工藝以及DRAGOMIR等［21］采用深冷和變壓吸附聯(lián)合工藝分別完成了煉廠氣中氫氣和輕烴的同時回收。

采用多種技術(shù)耦合工藝回收煉廠氣中的高附加值組分，可以極大地提高分離過程的經(jīng)濟(jì)效益，但由于煉廠氣來源多樣、組成復(fù)雜、壓力多變，目前的設(shè)計多是根據(jù)設(shè)計者的實踐經(jīng)驗，缺少高效多目標(biāo)分離技術(shù)的設(shè)計方法，因此分離效果仍有待提高。為此，本文提出了分離過程能效比的概念，對不同的分離序列和不同序列的不同階段進(jìn)行能效分析，從而為多技術(shù)耦合回收煉廠氣的優(yōu)劣提供了一個可以量化的參考指標(biāo)。

圖1 煉廠氣中含有的高附加值組分

1 分離過程的能效比

為完成一個分離過程，系統(tǒng)常需要與外界發(fā)生能量的交換，如加壓從外界吸收能量，減壓向外界放出能量，升溫從外界吸收能量，降溫向外界放出能量。系統(tǒng)升壓可以通過壓縮機(jī)增壓完成，系統(tǒng)降壓可以通過膨脹機(jī)、節(jié)流閥或者真空泵來完成，系統(tǒng)升溫可以通過系統(tǒng)與熱媒的換熱來實現(xiàn)，系統(tǒng)降溫則是通過系統(tǒng)與冷媒的換熱實現(xiàn)的。為便于比較，將系統(tǒng)與外界交換的能量統(tǒng)一用電功表示，并定義分離過程中消耗的總電功為A，見式（1）。

式中，W為壓力改變時系統(tǒng)和外界交換能量折合的電功；Q為溫度變化時系統(tǒng)和外界交換能量折合的電功。

降低能耗是工藝設(shè)計的重要目標(biāo)，即希望分離過程能用最少的能量消耗獲得最多的回收物。氣體分離過程中，主要的能量消耗在于物流的壓力和溫度變化產(chǎn)生的，通過式（1）將系統(tǒng)與外界交換的能量統(tǒng)一用電功表示。同時，為了定量評價分離技術(shù)的能量效率，本文提出了能效比的概念，即單位能耗所回收的目標(biāo)物的量。能效比θ定義為式（2）。

式中，w為回收目標(biāo)物的質(zhì)量。通過能效比θ，可從能耗的角度定量地比較不同分離技術(shù)或分離序列分離效率的高低。

將式（1）代入式（2），則得到式（3）。

1.1 分離過程的壓縮功耗

在氣體分離過程中，經(jīng)常會發(fā)生壓力的改變，為便于比較，將降壓過程中氣體損失的能量以壓縮功的形式表現(xiàn)出來，將其與升壓過程的壓縮功一樣統(tǒng)稱為氣體分離過程中的壓縮功耗，并標(biāo)記為W。升壓時的壓縮功耗等于氣體從初始狀態(tài)被壓縮到規(guī)定狀態(tài)時所耗費的能量，降壓時的壓縮功耗定義為氣體從終了狀態(tài)被壓縮到規(guī)定狀態(tài)時所耗費的能量。壓縮過程的壓縮功耗W為式（4）。

式中，Ws為壓縮氣體時，損耗的軸功；ηw為電機(jī)效率。

鎖合隨動式限幅機(jī)構(gòu)主要由主支撐架、對接鎖合組件和鋼球鎖釋組件組成，其中對接鎖合組件和鋼球鎖釋組件分別實現(xiàn)限幅機(jī)構(gòu)與鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)的鎖定與解鎖功能。

對于一個實際的氣體壓縮過程，為降低功耗，提高整機(jī)容積效率，多采用多級壓縮，壓比一般不超過 3，各級壓縮比相等。定義多級壓縮的壓縮比為β，各級氣缸壓縮比相同，見式（5）。

式中，p1為氣體的最低壓力，升壓時為氣體的初始壓力，降壓時為氣體的終了壓力；pz+1為氣體的最高壓力，升壓時為氣體的終了壓力，降壓時為氣體的初始壓力。

氣體壓力發(fā)生變化時，損耗的能量 Ws可表示為式（6）。

式中，p2、p3…pz為級間壓力；V1為氣體壓力最低時的體積；n為多變指數(shù)； υ1為氣體壓力為p1時的比容；υ2為氣體壓力為p2時的比容。

1.2 分離過程的熱耗

氣體分離過程中的熱耗可分為兩部分，一部分是將氣體壓縮后的溫度降低到工藝規(guī)定溫度時與外界交換的能量，另一部分是氣體從初始狀態(tài)的溫度變化到工藝規(guī)定狀態(tài)的溫度時與外界交換的能量。為便于比較，取溫度變化時氣體與外界交換的能量的絕對值|q|來表示分離過程中由于氣體溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生的熱耗Q，如式（9）所示。

式中，T1為氣體的初始溫度；T2為溫度變化結(jié)束后，氣體的最終溫度；cn為比熱容；|q|為壓縮過程中氣體降溫所消耗的能量的絕對值；ηQ為熱效率，即溫度變化過程所消耗的能量與電功的折算系數(shù)。

不同的煉廠氣其組成、壓力和溫度是不同的，對于同一股氣體而言，采用不同的分離技術(shù)可能獲得相同的分離效果，但它們對壓力和溫度的改變程度是不盡相同的，即其能效比θ是不同的。為降低分離過程的能耗，根據(jù)分離要求和不同分離技術(shù)的特點，設(shè)計出可行的分離流程，再結(jié)合不同分離技術(shù)能效比θ的對比，在不同的分離階段引入合適的分離技術(shù)，使每一階段的分離技術(shù)都工作在其能效比較高的區(qū)域，讓不同分離技術(shù)在分離序列中呈現(xiàn)梯級分布，充分利用煉廠氣原有的能量，降低分離過程的能耗。這樣，針對某一股或幾股煉廠氣，在回收其中的高附加值組分時，就可以借助于分離過程能效比的概念，快速有效地確定出合適的分離序列。

2 分離過程能效分析實例

分離過程往往伴隨著能量的損耗或流失。分離過程中根據(jù)物流本身攜帶的能量和分離技術(shù)分離過程損耗的能量與分離過程的目標(biāo)產(chǎn)物回收量進(jìn)行匹配，以求得分離過程最優(yōu)能效比。

以某煉廠加氫裂化低分脫硫氣為例，該股煉廠氣溫度為50℃，壓力為1.5MPa（表壓，下同），流量為5000kg/h，氣體組成如表1所示。

欲回收其中H2組分，為提高產(chǎn)品氣應(yīng)用的靈活性，要求產(chǎn)品氣H2純度不低于97%（體積分?jǐn)?shù)，下同），收率為90%，壓力為2.1MPa，溫度為50℃，為便于尾氣后續(xù)利用，要求尾氣壓力為 1.4MPa，溫度為50℃。純度97%的氫氣可用于柴油加氫、汽油加氫等對氫純度要求不高的場合，純度99.9%的氫氣可用于精制加氫、管網(wǎng)氫等對氫純度要求高的場合。

2.1 H2的回收工藝

為達(dá)到上述分離目標(biāo)，首先分別設(shè)計了膜分離和變壓吸附（PSA）兩種工藝流程，如圖2所示。

表1 某煉廠加氫裂化低分脫硫氣組成

圖2 不同工藝流程回收H2的流程示意圖

圖2（a）流程表示膜分離工藝。在該工藝中，采用氫氣等小分子優(yōu)先透過的玻璃態(tài)膜，溫度為50℃、壓力為1.5MPa的原料氣1直接進(jìn)入膜分離系統(tǒng)HM-101，經(jīng)膜分離處理后，滲透氣2作為產(chǎn)品氫氣，加壓到2.1MPa、降溫到 50℃后，送出界外；滲余氣3壓力為1.4MPa，溫度為50℃，直接送出界外。

圖2（b）流程表示PSA工藝，在該工藝中，溫度為50℃、壓力為1.5MPa的原料氣1直接進(jìn)入變壓吸附系統(tǒng)PSA-101，經(jīng)變壓吸附系統(tǒng)處理后，未被吸附的氣體2作為產(chǎn)品氫氣，加壓到2.1MPa、降溫到50℃后，送出界外；被吸附截留的氣體3低壓解吸后加壓到1.4MPa、降溫到50℃后，送出界外。

本研究使用化工流程模擬軟件 Unisim Design對這兩種流程進(jìn)行模擬計算，分析兩種工藝流程的能效比。在保證氫氣收率均為90%的情況下，兩種工藝流程的回收結(jié)果如表2所示。

圖3 不同工藝過程的氫氣收率與濃度、能效比關(guān)系曲線

表2 兩種H2回收工藝流程的結(jié)果

從表2可以看出，在達(dá)到相同收率的情況下，膜分離和PSA工藝的產(chǎn)品氣氫純度均大于97%，可以滿足汽、柴油加氫等的需要；PSA工藝能效比為0.86，比膜分離工藝的能效比提高了 28%。這是因為對于膜分離工藝，雖然其滲余氣直接滿足了對于尾氣的分離要求（壓力1.4MPa，溫度50℃），無需增壓，但作為產(chǎn)品的滲透氣壓力較低（僅為0.02MPa），需增壓到2.1MPa才能滿足分離要求。在壓比一定的情況下，滲透氣增壓過程和增壓后的降溫過程所消耗的功隨收率的增加，也必然增加；且對于膜分離過程而言，隨收率的增加，產(chǎn)品氣的氫濃度也隨之下降，如圖3（a）所示。隨收率的增加，產(chǎn)品氣的分子量也會逐步增大，增壓過程消耗的能量增加幅度將逐步減小。所以，其能效比雖隨收率增加出現(xiàn)了下降，但幅度不大。而對于PSA工藝，被截留氣體需從較低的壓力（0.02MPa）增壓到1.4MPa，產(chǎn)品氣從1.4MPa升壓到2.1MPa的，壓比遠(yuǎn)小于膜分離工藝滲透氣的壓比，隨著收率的增加，產(chǎn)品氣流量逐漸增加，被截留氣體流量逐漸減少，其能效比將隨收率的增加而明顯增加。兩種不同工藝過程的能效比隨H2收率變化的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出，在本文條件下，以氫氣收率80%為分界點，當(dāng)收率低于80%時，膜分離過程具有較好的能效比；而當(dāng)收率高于80%時，PSA過程具有較好的能效比。因此，在氫氣純度大于97%，收率為90%的情況下，采用PSA工藝是一個較好的選擇。

2.2 高純H2的回收工藝

由表2可知，膜分離和PSA工藝雖都可以滿足基本的分離要求，但回收氫氣純度均小于99.9%，無法滿足精制加氫等場合的使用，為提高產(chǎn)品氣的氫純度，本研究重新設(shè)計了兩種不同的耦合工藝流程，如圖4所示。

圖4 不同耦合工藝回收高純H2的流程示意圖

圖4（a）流程表示膜分離-PSA耦合工藝，在該工藝中，溫度為50℃、壓力為1.5MPa的原料氣1首先進(jìn)入膜分離系統(tǒng)HM-101，經(jīng)膜分離系統(tǒng)處理后，滲余氣 4送出界外，滲透氣 3作為粗氫，加壓到2.2MPa、降溫到30℃后，送往變壓吸附系統(tǒng)PSA-101；經(jīng)變壓吸附系統(tǒng)處理后，未被吸附的氣體8作為產(chǎn)品氣，送出界外，被吸附截留的氣體 7經(jīng)加壓到1.6MPa，降溫到 50℃后，再送往膜分離系統(tǒng)HM-101。

圖4（b）流程表示PSA-膜分離耦合工藝，在該工藝中，溫度為50℃、壓力為1.5MPa的原料氣1首先進(jìn)入變壓吸附系統(tǒng)PSA-101，經(jīng)變壓吸附系統(tǒng)處理后，未被吸附截留的氣體4作為產(chǎn)品氣，加壓到2.1MPa、降溫到50℃后，送出界外；被吸附截留的氣體3經(jīng)加壓到1.6MPa、降溫到50℃后，送往膜分離系統(tǒng) HM-101，經(jīng)膜分離系統(tǒng)處理后，滲余氣10送出界外，滲透氣9增壓到2.2MPa，降溫到30℃后，再送往變壓吸附系統(tǒng)。

使用化工流程模擬軟件Unisim Design對兩種不同的耦合工藝流程進(jìn)行了模擬計算，并對它們的能效比進(jìn)行了對比，結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，在滿足系統(tǒng)氫氣收率90%的情況下，兩種耦合工藝的產(chǎn)品氣氫純度均達(dá)到了99.9%以上，滿足精制加氫、管網(wǎng)氫等高純氫的場合要求。膜分離-PSA耦合工藝的能效比為0.54，比PSA-膜分離耦合工藝（0.38）提高了40%以上，明（θb2=0.76），但由于此時膜分離-PSA耦合工藝中PSA的原料氣是來自于膜分離系統(tǒng)的氫提純氣，其顯優(yōu)于PSA-膜分離耦合工藝。兩種耦合工藝雖然都是利用了PSA的高純度和膜分離的高收率特性，但兩種流程實質(zhì)是不同的。膜分離-PSA耦合工藝是先利用膜分離對原料氣進(jìn)行了粗提純，再用變

表3 兩種高純H2回收耦合工藝流程的結(jié)果

壓吸附對經(jīng)過粗提純后的原料氣進(jìn)行精細(xì)分離，變壓吸 附的解吸氣再送回膜分離繼續(xù)提純的一個循環(huán)過程。而PSA-膜分離耦合工藝實際上是先利用PSA對原料氣進(jìn)行了精細(xì)分離，變壓吸附的解吸氣經(jīng)膜分離粗提純，提純后的富氫氣體再返回變壓吸附的一個循環(huán)過程。

從上文的分析可知，膜分離工藝無法完成高純度氫氣回收的任務(wù)，因此兩種耦合工藝流程都必須依靠PSA技術(shù)實現(xiàn)氫氣產(chǎn)品的高純度。在分離過程的第一階段，對于PSA-膜分離耦合工藝，原料氣首先進(jìn)入PSA系統(tǒng)，由于原料氣純度較低（57.58%），在保證產(chǎn)品純度不低于99.9%的情況下，PSA初始收率就很低（不超過 60%），其第一階段的能效比就較低（θb1=0.52）；而對于膜分離-PSA耦合工藝，原料首先進(jìn)入了膜分離系統(tǒng)，由于膜分離系統(tǒng)能效比隨收率增加下降幅度很小，因此，在保證系統(tǒng)收率的情況下，其能效比仍達(dá)到了 0.77，高于 PSA-膜分離耦合工藝第一階段的能效比。在第二階段，雖然 PSA-膜分離耦合工藝中膜系統(tǒng)的能效比較高氫純度（98.37%）遠(yuǎn)高于原料氣的氫純度（57.58%），因此 PSA在保證產(chǎn)品氫純度不低于 99.9%的情況下，收率仍在 90%以上，所以其能效比更高（θa2=2.54）。

在整個分離過程中的不同分離階段，由于膜分離-PSA耦合工藝對膜分離和PSA系統(tǒng)進(jìn)行了合理的梯級搭配，充分利用了原料本身的能量，使得膜分離和PSA系統(tǒng)都在自己能效比較高的工作區(qū)域內(nèi)運行；而PSA-膜分離耦合工藝流程則由于分離技術(shù)匹配的不合理，使得PSA系統(tǒng)沒能在較高能效比的工作區(qū)域運行，因此，最終膜分離-PSA耦合工藝的能效比高于PSA-膜分離耦合工藝的能效比。

3 結(jié) 論

針對煉廠氣來源多樣、組成復(fù)雜、壓力多變、缺少一種高效多目標(biāo)分離技術(shù)設(shè)計依據(jù)的問題，提出了分離過程能效比的概念，并以某廠加氫裂化低分脫硫氣中H2回收過程為例進(jìn)行能效分析。結(jié)果表明：當(dāng)回收氫濃度要求不高（≥97%）時，采用PSA工藝的能效比較高（θ=0.86），與膜分離工藝相比，能效比提高了 28%；當(dāng)回收氫濃度要求較高（≥99.9%）時，選用膜分離-PSA工藝可以獲得更高的能效比（θ=0.54），與 PSA-膜分離工藝相比，能效比提高了40%。這是因為膜分離-PSA工藝兩個分離階段中，每個階段分離過程的能效比均高于 PSA-膜分離工藝同一階段的能效比。

通過對某廠加氫裂化低分脫硫氣中 H2組分回收的模擬，表明借助分離過程能效比的計算，就可以定量地分析不同分離序列的優(yōu)劣，從而為煉廠氣的多技術(shù)、多組分回收序列的設(shè)計提供了一個較好的量化參考指標(biāo)。

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Analysis of energy efficiency of separation technology during a refinery gas recycling process

LI Baojun，HE Gaohong，XIAO Wu，DAI Yan，CHEN Bo
（State Key Laboratory of Fine Chemicals，Research and Development Center of Membrane Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116023，Liaoning，China）

The industrial process design lacks theoretical guidances for multiple target recovery from refinery gas. In this study，the concept of energy efficiency ratio was proposed for separation process. By using the electrical power to represent the energy associated with the variation of pressure and temperature during the gas separation process，a quantitative relationship between the energy consumption and the target product recovery was established. A typical refinery gas recycling process was taken as example，in which various separation technologies such as membrane or pressure swing adsorption（PSA）were utilized for thorough investigation. The energy efficiency ratios of various separation technologies and different separation processes were calculated. Results showed that，when H2purity of product is relatively low（≥97%），PSA technology achieves the higher value of energy efficiency ratio（0.86），which is 28% higher comparing to the membrane separation technology. When H2purity of product is relatively high（≥99.9%），the hybrid membrane-PSA process achieves the higher energy efficiency ratio（0.54）than the hybrid PSA-membrane process，and the increase is about 40%. It indicates that the energy efficiency ratio can be employed to evaluate the efficiency of energy consumption of various separation technologies or different separation processes，and can provide a useful design guidance for refinery gas recycling process.

refinery gas；energy efficiency ratio；separation；recovery；simulation

TQ 028.1

A

1000-6613（2016）10-3072-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.009

2016-02-18；修改稿日期：2016-03-21。

李保軍（1974—），男，博士研究生。聯(lián)系人：賀高紅，教授。E-mail hgaohong@dlut.edu.cn。