有機蒸氣膜分離設備的應用

2014-03-24 07:42:51關黎明于海濤熊小華

中國設備工程 2014年3期

郝明，關黎明，于海濤，熊小華

（中國石油吉林石化公司乙烯廠，吉林吉林 132022）

有機蒸氣膜分離設備的應用

郝明，關黎明，于海濤，熊小華

（中國石油吉林石化公司乙烯廠，吉林吉林 132022）

介紹了有機蒸氣膜分離設備在乙烯廠低密度聚乙烯裝置上的應用及增效改進進展。

低密度聚乙烯裝置；有機蒸氣膜；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UCC公司在70年代開發的氣相流化床技術，1996年9月投產。原裝置年設計生產能力為l0萬t，擴建后裝置設計生產能力為27.4萬t/a。其排放氣回收是將由脫氣倉頂吹出的N2和輕烴混和氣中的共聚單體(丁烯)及異戊烷，分別經低壓冷凝和高壓冷凝進行液化回收，重新送回到反應器中重復使用。

一、回收系統流程簡述

吹掃N2與脫除的輕烴混和物先由頂部過濾器過濾，再由尾氣回收壓縮機入口保護過濾器過濾細粉，經低壓冷卻器冷卻、低壓冷凝器冷凝，形成的冷凝液由低壓儲罐收集，并由低壓凝液返回泵送回反應器。未冷凝的氣體經壓縮機增壓后經尾氣回收壓縮機出口過濾器過濾細粉，并經壓縮機出口換熱器換熱、高壓冷卻器冷卻、高

壓冷凝器冷凝，形成的冷凝液由高壓儲罐收集，并由高壓凝液返回泵送回反應器。不凝氣經壓縮機出口換熱器，與壓縮機出口氣體換熱之后進入緩沖罐，通過控制器(2PIC-5211-1)控制緩沖罐壓力為0.65MPa。緩沖罐出來的氣體一部分做為反應排料系統的輸送氣，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、膜回收設備結構原理

有機蒸氣膜是一種高通量、薄片狀的復合膜。由最下層的無紡布底層、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層組成(圖1)。利用不同氣體在有機蒸氣膜中透過速率不同的特性，可實現對混合氣體中不同組分的分離。

圖1 MTR多層復合膜的截面圖

有機蒸氣膜采用卷式膜。原料氣進入膜組件后，在薄膜層之間流動。原料側和滲透側之間的隔網為氣體流動創造了通道。圖2膜組件包括沿著滲透管軸線構建的螺旋卷式膜及其中間的隔膜。

圖2 MTR卷式膜的結構

滲透速率大的有機蒸氣通過膜后，進入膜組件中間的滲透側收集管；滲透速度小的小分子氣體被阻擋在膜的外面成為滲余相，從而實現有機蒸氣與小分子氣體的分離(圖3)。

圖3 有機蒸氣膜分離過程

壓力差是使有機蒸氣持續透過膜的驅動力，直接影響了氮氣以及有機蒸氣滲透過膜的速率。壓力越大，通過有機膜的通量越大，這樣即使減少膜組件的數量也可以達到有效的分離。

低密度聚乙烯裝置脫氣中碳氫化合物的回收，采用有機蒸氣膜分離方法，主要是利用“反向”選擇性高分子復合膜，根據不同氣體分子在膜中的溶解擴散性的差值，在一定壓差推動下，可凝氣有機蒸氣(如丁烯、戊烷等)與惰性氣體(如氮氣、氫氣)相比，被優先吸附滲透，從而達到分離的目的。

三、項目建設背景及意義

低密度聚乙烯車間的回收系統排放尾氣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，可送回前部反應系統，實現資源的再利用，可降低裝置能耗，取得良好的經濟效益。

尾氣通過MTR有機膜分離系統的膜表面，因碳氫化合物通過MTR膜比惰性氣體快，可使氣流被分為富含碳氫化合物的滲透氣流(丁烯和戊烷)和富含氮氣的滲余氣。

滲透氣進入新回收系統，經低壓冷卻器冷卻、低壓冷凝器冷凝，由低壓貯罐回收重組分后，液相經高壓凝液返回泵送往反應循環系統。未冷凝氣進入排放氣回收壓縮機壓縮，再經熱交換器和高壓冷卻器冷卻、高壓冷凝器冷凝后進入高壓貯罐回收碳氫化合物，液相送往反應循環系統，氣相經熱交換器后送入緩沖罐。富含氮氣的滲余氣送入火炬。

四、膜回收技術的應用

膜分離系統于2008年8月底安裝完成后調試運行。在調試運行過程中發現，受尾氣回收壓

縮機出口溫度影響，膜回收入口緩沖罐溫度高于膜回收系統的操作溫度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出口管線加跨線和閥門。通過打開閥門來降低換熱器出口溫度，使膜入口溫度達到允許范圍。如圖4所示，在出口換熱器冷側增加一條旁路管線，旁路中的冷氣不經換熱直接進入回收緩沖罐。同年10月系統成功投運。

圖4 設備改造流程圖

1.實際工作中的運行情況

膜分離投用后，回收系統運行平穩，車間先后進行了5次性能考核，其性能保證值見表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據見表2，性能考核值見表3。

表2 膜回收投用前后尾氣分析數據

表3 膜分離裝置的性能考核值

考核結果表明，考核期間膜分離系統運行平穩，均達到性能保證值。

2.膜分離投用后對回收系統的影響

膜回收投用后，滲透側流量增大，回收氣量增加，壓縮機入口壓力增大，脫氣倉壓力升高?；厥諝庵卸∠⑽焱楹吭龆?，需要冷量增大，制冷系統負荷增大。加上在換熱器冷側補加一條旁路管線，旁路中的冷氣不通過換熱直接進入氣體緩沖罐，使膜入口溫度達到允許范圍內。但是這樣會使高壓儲罐溫度升高，回收效果受到一定的影響。因此，回收壓縮機的能力是影響膜回收系統投用的決定因素，而制冷系統冰機的能力是影響膜回收系統投用的必要條件。