新型膜回收系統(tǒng)在聚乙烯裝置的應用

郭 磊，張 毅，褚偉華

（中國石油獨山子石化公司乙烯廠，新疆 獨山子 833600）

獨山子石化公司乙烯廠聚乙烯裝置于1992年開始建設，1995年建成投產(chǎn)。2002年完成擴建，裝置年生產(chǎn)能力由12萬t躍升至22萬t，采用的是英國BP公司Innovene氣相流化床技術(shù)，共有兩條生產(chǎn)線。

一、聚乙烯裝置氣相流化床技術(shù)存在的問題

聚乙烯裝置聚合工藝流程如圖1所示。

聚合反應在D400反應器中連續(xù)進行，流化氣經(jīng)過冷卻器初級冷卻后，由流化氣壓縮機C400增壓循環(huán)，經(jīng)過最終冷卻器冷卻后進入反應器底部。C400為氣相法聚乙烯流化床反應器提供動力，補償循環(huán)氣流通過流化床及冷卻器所產(chǎn)生的壓降，并保證一定的氣速使反應器床層處于流化狀態(tài)。聚合物抽出后，進入一級脫氣器分離聚合物與流化氣，分離后的流化氣，經(jīng)循環(huán)氣壓縮機C470增壓后回收再利用。

圖1 聚乙烯裝置聚合工藝流程簡圖

BP工藝聚乙烯聚合過程中單體的單程轉(zhuǎn)換率僅有4%，未反應的單體經(jīng)循環(huán)氣壓縮機C470送到反應器內(nèi)，進一步反應。在此循環(huán)過程中為了防止惰性氣體的累積，將一部分循環(huán)氣作為弛放氣排放至火炬燒掉，此股氣中含有近40%的乙烯，排放量約150kg/h，造成了大量乙烯單體損失。

鑒于上述氣相流化床技術(shù)存在的問題，為節(jié)能減排，石化公司決定新增一種新型膜回收系統(tǒng)，通過膜回收系統(tǒng)可以將弛放氣中85%以上的乙烯回收，形成的富乙烯氣流返回到壓縮機入口，然后進入反應器進一步反應。從而達到減少排放及乙烯的回收利用。

二、膜法VOC回收技術(shù)設備工作原理

1.膜技術(shù)

膜是指分隔兩相界面，并以特定形式限制和傳遞各種化學物質(zhì)的阻擋層?？梢允蔷嗷蚍蔷嗟?、對稱或非對稱的、固體或液體的、中性或電荷的，厚度可從μm到mm。

膜分離技術(shù)是基于化學物質(zhì)通過膜的傳遞速度的不同，以膜兩側(cè)的化學勢梯度為推動力，從而使不同化學物質(zhì)通過膜而達到分離效果。

聚乙烯裝置乙烯回收主要是將原循環(huán)排放氣中的氮氣排放掉，使乙烯提濃后返回反應進料單元。

膜法VOC回收技術(shù)的基本原理是利用了特殊的高分子膜對VOC的優(yōu)先透過性的特點，讓VOC如乙烯、丙烯、丁烯、重烴等與惰性氣體如氮氣、氧氣、氫氣、氬氣等的混合氣在一定的壓差推動下，經(jīng)選擇性透過膜，使混合氣中的VOC優(yōu)先透過膜得以富集回收，而氮氣、氬氣等惰性氣體則被選擇性的截留，從而達到分離的目的。

2.膜結(jié)構(gòu)

如圖2所示，有機蒸汽膜是3層結(jié)構(gòu)的高分子復合膜，表面為無缺陷的橡膠態(tài)分離層，中間位是耐溶劑的微孔支撐層，提供所需的機械強度，無紡布為膜的載體層。具有耐有機溶劑、耐高壓、分離性能高等優(yōu)點。

圖2 有機蒸汽分離膜結(jié)構(gòu)

3.膜組件形式

聚乙烯裝置膜法VOC回收技術(shù)使用是板框式分離膜(圖3)，制成的膜組件如圖4所示，原料氣進入到組件內(nèi)，在類似串聯(lián)的膜片間進行流動。有機蒸氣分子優(yōu)先透過膜，在膜的滲透側(cè)富集，從組件的中心管匯集流出，氮氣等小分子氣體從尾氣排出。從膜組件的外表看，筒體上有1個原料氣進氣口和1個是滲透氣出口及1個尾氣出口，滲透氣匯集到總線回收，尾氣匯集到火炬線排放。

圖3 板框式分離膜

圖4 板框式膜組件

三、聚乙烯裝置膜法VOC回收技術(shù)性能指標

1.膜法VOC回收技術(shù)基礎數(shù)據(jù)的采集

聚乙烯裝置膜法VOC回收技術(shù)系統(tǒng)的設計，首先需要對生產(chǎn)不同牌號時排放的弛放氣體和壓縮機C470氣體進行分析，分析結(jié)果如表1、2、3所示。

2.膜法VOC回收技術(shù)回收率R的計算

表1 弛放氣數(shù)據(jù) kg/h

表2 氣體組成 %

表3 壓縮機C470設計參數(shù)

根據(jù)膜法VOC回收技術(shù)設備工作原理，原料氣回收率可表示為：

式中：V1——原料氣量，m3/h；

V3——尾氣量，m3/h；

C1-1——原料氣C2H4濃度%(V)；

C3-1——尾氣C2H4濃度%(V)。

3.膜法VOC回收技術(shù)乙烯回收系統(tǒng)性能指標

排放氣經(jīng)過膜回收系統(tǒng)處理后，可以達到的指標為C2H4(乙烯)回收率＞85%。

四、聚乙烯裝置膜法VOC回收技術(shù)設計流程

如圖5所示，聚乙烯裝置膜法VOC回收技術(shù)設計流程主要分為原料氣預處理部分及膜分離部分。

圖5 聚乙烯裝置膜法VOC回收技術(shù)設計流程

循環(huán)排放氣經(jīng)調(diào)節(jié)閥FV476A進入膜回收系統(tǒng)，稱為膜回收系統(tǒng)的原料氣。原料氣先經(jīng)聚結(jié)過濾器F001，脫除氣體中的固體雜質(zhì)和過飽和液滴。聚結(jié)過濾器的入口和出口設有差壓變送器PDIAS001顯示氣體通過過濾器的壓差，由此判斷過濾器濾芯阻塞情況，當運行差壓達到50kPa時預警，當運行差壓達到80kPa時，報警提示需要停車更換濾芯。聚結(jié)過濾器上安裝有帶現(xiàn)場指示的磁翻板液位計LG001，并帶有液位變送器，聚結(jié)過濾器的液位LICS001可以在控制室集中顯示，當液位達到一定的高度，聚結(jié)過濾器液位10%，排液閥LV001會自動打開，防止液體進入膜組件而損壞膜組件，低于一定液位時，LV001自動關(guān)閉。經(jīng)過濾預處理后的原料氣進入分離器M001～M005。在一定的壓差推動下，膜組件的滲透側(cè)得到富集的乙烯氣體亦稱滲透氣返回壓縮機入口，未滲透氣體亦稱尾氣經(jīng)控制閥PV001，去裝置原火炬系統(tǒng)。

聚乙烯裝置膜法VOC回收系統(tǒng)設計兩個流量計：指示原料氣的FIQ001流量計和指示尾氣的FIQ002流量計。

聚乙烯裝置膜法VOC回收系統(tǒng)在膜前設有一塊溫度變送器，用于顯示膜分離進氣溫度TIAS001，這個溫度參與進氣流量FIQ001的溫度補償。其中當進氣溫度達到50℃時，報警原料氣溫度高報。達到或高于55℃時報警顯示“膜前溫度過高”并執(zhí)行聯(lián)鎖停車程序。

聚乙烯裝置膜法VOC回收系統(tǒng)設有2塊壓力變送器，分別顯示膜分離系統(tǒng)進氣壓力PIC001、尾氣壓力PI002。這2個壓力分別參與進氣流量FIQ001和尾氣流量FIQ002的壓力補償。

五、聚乙烯裝置膜法VOC回收技術(shù)主要設備性能指標

為防止原料氣中所含的雜質(zhì)對膜分離性能的影響，原料氣先經(jīng)過聚結(jié)過濾器除去其中所含的液滴和固體粉塵。F001 聚結(jié)過濾器采用美國PALL 公司生產(chǎn)的型號為CC3LG02H13的濾芯，其濾芯為樹脂粘結(jié)的有褶皺濾芯結(jié)構(gòu)，被無紡聚合物包圍支撐，能把小的液滴聚結(jié)為大的液滴。氣體在壓力推動下穿過幾層過濾介質(zhì)，每層的平均孔徑逐漸增大。當液滴向開孔流動時，液體趨于集結(jié)、凝聚效應，在濾芯外側(cè)匯集成液膜，在重力作用下，落入集液槽。氣體隨聚結(jié)過濾器濾芯最外層的開孔型防護散套排出，CC3LG02H13濾芯性能指標見表4。

膜分離器是膜法VOC回收技術(shù)最重要的設備，其性能指標見表5。

表4 CC3LG02H13濾芯設備性能指標

表5 EUVOC-E/N-10膜分離器性能指標

六、結(jié)語

2012年聚乙烯裝置兩條生產(chǎn)線進行了膜法VOC回收系統(tǒng)設計，投用后每條生產(chǎn)線每天回收乙烯約1.2t，1年回收乙烯約438t，按7 600元/t計算，每條生產(chǎn)線年節(jié)約資金約332萬元。

聚乙烯裝置膜法VOC回收系統(tǒng)具有如下優(yōu)點。

(1)操作安全、可靠、簡便。

(2)設備簡單，無需傳動、轉(zhuǎn)動部件，運行費用低。

(3)占地面積小，模塊化安裝。

(4)單元采用DCS控制。

(5)對原裝置無影響，無二次污染，環(huán)保節(jié)能。

(6)乙烯回收率高，可達85%～90%。

(7)投資回收期短。

(8)新型膜回收系統(tǒng)在回收乙烯同時可回收絕大部分丁烯和戊烷。

(9)選用德國進口有機蒸汽膜，具有經(jīng)過實踐證明的較長的膜壽命。