有機(jī)蒸氣膜分離設(shè)備的應(yīng)用

郝 明，關(guān)黎明，于海濤，熊小華

（中國(guó)石油吉林石化公司乙烯廠，吉林 吉林 132022）

有機(jī)蒸氣膜分離設(shè)備的應(yīng)用

郝 明，關(guān)黎明，于海濤，熊小華

（中國(guó)石油吉林石化公司乙烯廠，吉林 吉林 132022）

介紹了有機(jī)蒸氣膜分離設(shè)備在乙烯廠低密度聚乙烯裝置上的應(yīng)用及增效改進(jìn)進(jìn)展。

低密度聚乙烯裝置；有機(jī)蒸氣膜；分離；回收

吉林石化公司乙烯廠低密度聚乙烯裝置采用美國(guó)UCC公司在70年代開(kāi)發(fā)的氣相流化床技術(shù)，1996年9月投產(chǎn)。原裝置年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為l0萬(wàn)t，擴(kuò)建后裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為27.4萬(wàn)t/a。其排放氣回收是將由脫氣倉(cāng)頂吹出的N2和輕烴混和氣中的共聚單體(丁烯)及異戊烷，分別經(jīng)低壓冷凝和高壓冷凝進(jìn)行液化回收，重新送回到反應(yīng)器中重復(fù)使用。

一、回收系統(tǒng)流程簡(jiǎn)述

吹掃N2與脫除的輕烴混和物先由頂部過(guò)濾器過(guò)濾，再由尾氣回收壓縮機(jī)入口保護(hù)過(guò)濾器過(guò)濾細(xì)粉，經(jīng)低壓冷卻器冷卻、低壓冷凝器冷凝，形成的冷凝液由低壓儲(chǔ)罐收集，并由低壓凝液返回泵送回反應(yīng)器。未冷凝的氣體經(jīng)壓縮機(jī)增壓后經(jīng)尾氣回收壓縮機(jī)出口過(guò)濾器過(guò)濾細(xì)粉，并經(jīng)壓縮機(jī)出口換熱器換熱、高壓冷卻器冷卻、高

壓冷凝器冷凝，形成的冷凝液由高壓儲(chǔ)罐收集，并由高壓凝液返回泵送回反應(yīng)器。不凝氣經(jīng)壓縮機(jī)出口換熱器，與壓縮機(jī)出口氣體換熱之后進(jìn)入緩沖罐，通過(guò)控制器(2PIC-5211-1)控制緩沖罐壓力為0.65MPa。緩沖罐出來(lái)的氣體一部分做為反應(yīng)排料系統(tǒng)的輸送氣，其余排火炬或去乙烯裝置作為裂解爐燃料。高、低壓冷凝器需要的冷劑由制冷單元提供。

二、膜回收設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

有機(jī)蒸氣膜是一種高通量、薄片狀的復(fù)合膜。由最下層的無(wú)紡布底層、中間的耐溶劑微孔支撐層和最上層具有選擇分離能力的選擇透過(guò)層組成(圖1)。利用不同氣體在有機(jī)蒸氣膜中透過(guò)速率不同的特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣體中不同組分的分離。

圖1 MTR多層復(fù)合膜的截面圖

有機(jī)蒸氣膜采用卷式膜。原料氣進(jìn)入膜組件后，在薄膜層之間流動(dòng)。原料側(cè)和滲透?jìng)?cè)之間的隔網(wǎng)為氣體流動(dòng)創(chuàng)造了通道。圖2膜組件包括沿著滲透管軸線構(gòu)建的螺旋卷式膜及其中間的隔膜。

圖2 MTR卷式膜的結(jié)構(gòu)

滲透速率大的有機(jī)蒸氣通過(guò)膜后，進(jìn)入膜組件中間的滲透?jìng)?cè)收集管；滲透速度小的小分子氣體被阻擋在膜的外面成為滲余相，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)蒸氣與小分子氣體的分離(圖3)。

圖3 有機(jī)蒸氣膜分離過(guò)程

壓力差是使有機(jī)蒸氣持續(xù)透過(guò)膜的驅(qū)動(dòng)力，直接影響了氮?dú)庖约坝袡C(jī)蒸氣滲透過(guò)膜的速率。壓力越大，通過(guò)有機(jī)膜的通量越大，這樣即使減少膜組件的數(shù)量也可以達(dá)到有效的分離。

低密度聚乙烯裝置脫氣中碳?xì)浠衔锏幕厥?，采用有機(jī)蒸氣膜分離方法，主要是利用“反向”選擇性高分子復(fù)合膜，根據(jù)不同氣體分子在膜中的溶解擴(kuò)散性的差值，在一定壓差推動(dòng)下，可凝氣有機(jī)蒸氣(如丁烯、戊烷等)與惰性氣體(如氮?dú)?、氫?相比，被優(yōu)先吸附滲透，從而達(dá)到分離的目的。

三、項(xiàng)目建設(shè)背景及意義

低密度聚乙烯車(chē)間的回收系統(tǒng)排放尾氣1 210kg/h，其中含乙烯237kg/h，丁烯40.7kg/h，總戊烷52.3kg/h。該部分尾氣由回收緩沖罐排放到乙烯裝置，作為裂解爐燃料。因物料中丁烯是聚乙烯的共聚單體，戊烷可作為聚乙烯反應(yīng)的撤熱溶劑。所以如果能將尾氣中的這部分有效成分回收，可送回前部反應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源的再利用，可降低裝置能耗，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

尾氣通過(guò)MTR有機(jī)膜分離系統(tǒng)的膜表面，因碳?xì)浠衔锿ㄟ^(guò)MTR膜比惰性氣體快，可使氣流被分為富含碳?xì)浠衔锏臐B透氣流(丁烯和戊烷)和富含氮?dú)獾臐B余氣。

滲透氣進(jìn)入新回收系統(tǒng)，經(jīng)低壓冷卻器冷卻、低壓冷凝器冷凝，由低壓貯罐回收重組分后，液相經(jīng)高壓凝液返回泵送往反應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)。未冷凝氣進(jìn)入排放氣回收壓縮機(jī)壓縮，再經(jīng)熱交換器和高壓冷卻器冷卻、高壓冷凝器冷凝后進(jìn)入高壓貯罐回收碳?xì)浠衔?，液相送往反?yīng)循環(huán)系統(tǒng)，氣相經(jīng)熱交換器后送入緩沖罐。富含氮?dú)獾臐B余氣送入火炬。

四、膜回收技術(shù)的應(yīng)用

膜分離系統(tǒng)于2008年8月底安裝完成后調(diào)試運(yùn)行。在調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，受尾氣回收壓

縮機(jī)出口溫度影響，膜回收入口緩沖罐溫度高于膜回收系統(tǒng)的操作溫度40℃，膜分離不能投用。為降低膜入口溫度，將回收高壓段出口換熱器管程的進(jìn)出口管線加跨線和閥門(mén)。通過(guò)打開(kāi)閥門(mén)來(lái)降低換熱器出口溫度，使膜入口溫度達(dá)到允許范圍。如圖4所示，在出口換熱器冷側(cè)增加一條旁路管線，旁路中的冷氣不經(jīng)換熱直接進(jìn)入回收緩沖罐。同年10月系統(tǒng)成功投運(yùn)。

圖4 設(shè)備改造流程圖

1.實(shí)際工作中的運(yùn)行情況

膜分離投用后，回收系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，車(chē)間先后進(jìn)行了5次性能考核，其性能保證值見(jiàn)表1。

表1 膜分離裝置的性能保證值

膜分離投用前后尾氣分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，性能考核值見(jiàn)表3。

表2 膜回收投用前后尾氣分析數(shù)據(jù)

表3 膜分離裝置的性能考核值

考核結(jié)果表明，考核期間膜分離系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，均達(dá)到性能保證值。

2.膜分離投用后對(duì)回收系統(tǒng)的影響

膜回收投用后，滲透?jìng)?cè)流量增大，回收氣量增加，壓縮機(jī)入口壓力增大，脫氣倉(cāng)壓力升高。回收氣中丁烯、戊烷含量增多，需要冷量增大，制冷系統(tǒng)負(fù)荷增大。加上在換熱器冷側(cè)補(bǔ)加一條旁路管線，旁路中的冷氣不通過(guò)換熱直接進(jìn)入氣體緩沖罐，使膜入口溫度達(dá)到允許范圍內(nèi)。但是這樣會(huì)使高壓儲(chǔ)罐溫度升高，回收效果受到一定的影響。因此，回收壓縮機(jī)的能力是影響膜回收系統(tǒng)投用的決定因素，而制冷系統(tǒng)冰機(jī)的能力是影響膜回收系統(tǒng)投用的必要條件。

五、經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

膜分離投用前后對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 膜分離投用前后效果

效益計(jì)算：2009年計(jì)劃生產(chǎn)聚乙烯27.4萬(wàn)t，膜分離投用8個(gè)月，按戊烷油7 000元/t、丁烯3 500元/t計(jì)算，增加效益為321.6萬(wàn)元。

六、改造計(jì)劃

下一步考慮在氣體儲(chǔ)罐與膜回收系統(tǒng)之間加1臺(tái)冷卻器，使換熱后膜入口溫度符合設(shè)計(jì)值。這樣，膜回收投用時(shí)換熱器的跨線不用開(kāi)，避免了冷量的損失，而且在夏季氣溫高時(shí)膜分離也能正常投用，從而進(jìn)一步降低戊烷油和丁烯的單耗。

[1] 梁琳.焊接對(duì)壓力容器強(qiáng)度的不良影響及設(shè)計(jì)對(duì)策[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)，2012(9)：65-66.

[2] 李衛(wèi)軍，鄧宇，李凱.制氫轉(zhuǎn)化氣蒸氣發(fā)生器管束內(nèi)漏故障分析及其處理[J].化工設(shè)備與管道，2010(5)：28-30.

[3] 許文虎，賈軍艷，郭巍，孔祥臣.常減壓裝置高溫腐蝕劑防護(hù)[J].壓力容器，2003(3)：36-37.

TQ051.8+93

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1671-0711（2014）03-0007-03

2013-12-03)