膜分離回收技術在粗苯加氫裝置中的應用

姚 勇，王留栓，潘愛軍，劉春迎

(中平能化集團尼龍化工公司河南平頂山 467000)

膜分離回收技術在粗苯加氫裝置中的應用

姚 勇，王留栓，潘愛軍，劉春迎

(中平能化集團尼龍化工公司河南平頂山 467000)

分析了膜分離氫回收技術在粗苯加氫裝置中的應用，著重對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中占有如此重要位置的原因不僅是因為氫氣在化工和石化工業中的重要性，而且還在于氫氣膜分離所具有的技術適用性和經濟合理性。本研究內容著重研究在國內苯加氫行業中，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品耗氫氣在300Nm3左右，而低壓法噸產品耗氫氣在100Nm3左右，氫氣使用后的排放氣體含有70%(體積分數)的氫氣，每小時有1000Nm3的氣體送入燃料氣管網被燒掉，浪費了寶貴的氫資源。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，將創造良好的社會環境效益和經濟效益。

1 氫氣膜回收的現狀

1.1 膜材料

從早期的醋酸纖維中空纖維、聚砜發展到現在的聚酰胺、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 膜結構

早期制造的復合膜，底膜呈手指狀的大孔，阻力雖小，但不耐壓。現在制造的復合膜，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。當膜材料和膜面積確定后，氣體滲透量和膜兩側壓差成正比，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，發展到現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，極大地提高了反應器的工作效率，減少了反應器的占地面積。

在取得以上的進展后，出現了現在的耐溫、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中的應用奠定了基礎。

粗苯高溫加氫精制過程中，將產生一部分弛放氣，以維持反應系統氫氣分壓，保持轉化率。弛放氣組分中氫氣占70% ～75%，其余大部分為C1～C4氣體，在該領域的氫氣膜回收應用，目前國內尚沒有開展。因此，本研究項目將對國內苯加氫裝置的弛放氣的膜回收氫氣技術進行探討和研究。

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，反應壓力5.5MPa(g)，反應溫度為600～630℃，每小時補充氫氣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。

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

表1 精苯裝置循環氣體分析表

3 技術方案及技術分析

采用美國空氣公司生產的Prism膜(材質為聚酰亞胺中空纖維)，對其中的氫氣進行回收。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℃的溫度進入。原料氣由水洗塔(T601)的底部進入，高壓熱水經減壓閥減壓至5.4MPa(g)進入冷卻器冷卻至40℃后送到水洗塔的頂部，為確保水洗效果，設有脫鹽水低流量聯鎖FSLL(FIS－603)報警。水洗塔內裝有高效填料，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調節閥直接送出界區。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，為防止液體進入膜分離系統，原料氣體又經過氣液分離器(D601)用于除去夾帶的霧沫，并設有液位顯示及報警;出來的氣體再經過高效過濾器將氣體中液滴進一步除去。

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濃縮后凝結，并使分離器處于最優化的工作狀態，設一進料加熱器E－601將原料氣升溫至80℃，該加熱器加熱介質為低壓蒸汽，通過TISCA－601進行溫度調節，并設有原料氣溫度高低報警及高聯鎖。

加熱后的原料氣離開裝置的預處理單元，進入膜分離器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，經計量后管輸送出界區。非滲透氣離開普里森分離器的殼程，經減壓后直接去用戶的燃料氣管網。

4 膜運行情況與分析結果

表2 運行72h時的分析結果

設計公稱處理能力:500～1400Nm3/h，本次運行時膜的處理量為 700Nm3/h。設計要求:500Nm3/h，回收率 95.0% ，純度 91.5%;1400Nm3/h，回收率83.0%，純度96.0%。72h分析結果詳見表2。

從表2看出，本次運行時滲透氣的H2濃度為90.62%，氫氣回收率 79.7%。

運行時裝置能耗: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、氮氣。電主要供儀表用電;蒸汽用來加熱原料氣;儀表空氣用于現場儀表的操作和控制;氮氣用于在開車前吹掃、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。

膜分離系統運行以來，膜分離的氫氣一直作為補充氫氣通過補充氫氣壓縮機重新進行反應系統，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 經濟核算

各種原料及消耗的單價如下(按2008年底公司內部結算價計):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回收氫氣約397.28Nm3;耗費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。裝置每年運行時間為8000h，每年的經濟效益520萬元。裝置投資100萬元，投資回收期為2.5個月。該裝置能耗極低，裝置操作彈性大。在設計負荷的50%～150%的情況下，裝置都能正常運行。

6 總結

隨著膜回收裝置的運行，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。膜分離技術以其獨特的優越性，無疑將發揮越來越大的作用。

TQ028.8

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1003－3467(2011)03－0050－03

2010－09－15

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