膜分技術在甲醇弛放氣中的應用

牛寶玉，閆建國，李 勝，校文超，石文峰

（河南煤業化工集團新鄉中新化工有限責任公司，河南新鄉 453800）

1 概 況

氫回收裝置是新鄉中新化工有限責任公司300kt／a甲醇項目所需的設備單元之一。氫回收裝置是將甲醇弛放氣組分進行分離，將其中的大部分氫氣分離出來并回收，送回合成氣壓縮機作為原料，調節合成氣中的氫碳比，其余尾氣送回燃料系統。我公司采用的是美國普里森中空纖維膜分離器（簡稱PRISM）。

公司有6根膜分離器，處理氣量13000m3／h，最大16 000m3／h，中空纖維膜分離的氫氣回收率可達95%，氫氣純度在90%以上。處理的弛放氣組成見表1。

由表1得知，甲醇弛放氣主要成分是氫氣，回收這部分氣體不但可以改善環境，而且也是讓有用氣體得到有效利用，因此回收氫氣十分必要。

對富氫產品氣和非滲透氣體的要求如下。

富氫產品氣壓力 ≥3.4MPa（絕）

非滲透氣壓力 ≥0.5MPa（絕）

滲透氣H2回收率 ≥95%

產品氣中H2含量 ≥90%（H2純度）

產品氣中N2含量 ≤8%

表1 弛放氣組成

2 流程簡述

原料氣經水洗脫醇后以6.3MPa的壓力和40℃的溫度進入膜分離裝置界區，氣體的設計流量為13 000m3／h。此氣體首先進入一氣液分離器，氣液分離器出來的原料氣含有該溫度、組成下的飽和水蒸氣。為避免水蒸氣凝結，設有一套管式加熱器，將原料氣加熱至50℃，使原料氣遠離露點。原料氣進入膜分離器，經一管道過濾器過濾，再進入PRISM（C）膜分離器組（6根X2201A～F）進行分離。分離器由兩組串聯構成，每組由3根φ200×3 000mm中空纖維膜分離器組成，采用并聯形式連接。每個PRISM（C）膜分離器外型類似一管殼式熱交換器，膜分離器殼體內部由成千上萬根中空纖維組成的纖維束組成，類似于管束。原料氣從下端側面進入PRISM（C）膜分離器。由于各種氣體組分在透過中空纖維膜時的溶解度和擴散系數不同，不同氣體在膜中的相對滲透速率不同，各組分中氫氣的相對滲透速率最快，從而可將氫氣分離提純。在原料氣沿PRISM（C）膜分離器的長度方向流動時，更多的氫氣滲透進入中空纖維，在中空纖維芯側得到壓力為3.4MPa、純度大約90%的氫產品，氫產品返回甲醇合成裝置。在殼程得到一富含惰性氣體的物流，稱為非滲透氣，其壓力由HV－2201控制至0.6MPa后去燃料氣管網。流程示意如圖1。

圖1 膜分離回收氫工藝流程示意

3 主要設備

（1）加熱器

加熱器（E－2201）為一列管式換熱器。加熱介質為0.6MPa的飽和蒸汽，原料氣走管程，蒸汽走殼程，原料氣被加熱到40～70℃。

（2）中空纖維膜分離器

中空纖維膜分離器組（X－2201A、B、C、D、E、F）采用了6根結構相同的φ200×3 000mm膜分離器。膜分離器是本裝置的主體，是核心。膜分離器芯部由數以萬計的中空纖維管組成。原料氣由分離器下端側口進入沿纖維束外表面向上流動，氣體接觸到中空纖維膜時便進行滲透、溶解、擴散、解吸。利用中空纖維膜對各種氣體的選擇性不同，從而達到分離的目的。如氫氣在膜表面滲透速率是甲烷、氮氣及氬氣等的幾十倍。氫氣進入每根中空纖維管內，匯集后從膜分離器上口排出，未滲透的尾氣從膜分離器的下口排出。

4 操作中注意事項

（1）開、停車過程中升壓與降壓必須緩慢操作，嚴禁壓力突升或突降，氣流速度過大會沖壞中空纖維膜。

（2）膜分離器無論在開、停狀態，還是運轉中，嚴禁出現反壓。

（3）原料氣加熱升溫，嚴格控制溫度在40～70℃，不得超過80℃。

（4）對控制儀表要做到經常檢查、維護，使控制儀表處在正常工作狀態。

（5）每次停車再開時，必須要對分離器V2201進行排污，確保進入膜分離器的氣體為干凈的氣體。

5 技術特點

膜分離回收氫氣裝置與其他技術相比，具有以下顯著的特點。

（1）易于操作。隨時開停方便，無人操作。

（2）壽命長。超過十年。

（3）易于安裝。占地小，重量輕，易適應于小或擁擠的場合。

（4）連續開工可靠。不受過程條件變化影響，具有耐各種雜質的能力。

（5）適應范圍寬。能抗許多化學污染。

（6）維護方便。膜系統無移動部件，無需檢修。

（7）安全可靠。生產中產品不合格時，系統將自動關閉，以保證產品質量。

6 投資估算及效益分析

該項目總估算值20萬元，其中設備投資17萬元，土建投資1萬元，其他2萬元。

如果每小時回收7 200m3氫氣，則每年可回收有效氣體約622×104m3。如果每噸精甲醇耗粗煤氣2 000m3（干基），每噸精甲醇耗原料煤1.4t，每噸粉煤按600元計，則每年可為企業增效約186.6萬元。

7 結 語

膜分離技術適合我國以煤炭為原料的甲醇合成裝置。我公司自2011年3月試運行至今，達到了設計運行效果。由于本裝置具有操作簡單、可靠性高、使用壽命長等優點，不僅為企業節能減排、降本增效、環保等提供了強有力的保障，也是企業長久發展的必然選擇。