膜分離技術(shù)在甲醇馳放氣氫回收中的應用

賈曉文（中海石油建滔化工有限公司，海南東方 572600）

膜分離技術(shù)在甲醇馳放氣氫回收中的應用

賈曉文
（中海石油建滔化工有限公司，海南東方 572600）

介紹了膜分離氫提純技術(shù)在甲醇裝置馳放氣氫氣回收單元的應用。并就該系統(tǒng)投用后對解決裝置馳放氣放空氫損耗問題進行性能考核。采用膜分離技術(shù)回收甲醇馳放氣中的氫氣，氫氣回收率提高了9%，提高了馳放氣中氫資源利用效率，節(jié)能降耗顯著，經(jīng)濟效益可觀。

膜分離；馳放氣；氫氣；回收率

概述

中海石油建滔化工有限公司60萬t/a甲醇裝置，是一套使用天然氣制甲醇的裝置，采用魯奇的低壓甲醇合成塔工藝，及Linde CO.的PSA技術(shù)回收馳放氣中氫氣，設計氫氣回收率為81%，但是隨著裝置運行時間的增長，PSA單元的故障率逐漸增加，產(chǎn)能下降，造成大量馳放氣改送轉(zhuǎn)化爐做燃料氣；其次，PSA的生產(chǎn)能力一定，但系統(tǒng)馳放氣的產(chǎn)量卻隨著合成催化劑活性的降低而增長，使得一部分馳放氣被送往轉(zhuǎn)化爐做燃料氣，造成氫氣資源極大的浪費和甲醇產(chǎn)量的下降。鑒于此，基于本裝置的工藝條件，考慮到從合成塔出來的馳放氣壓力大概在9～9.9MPa.G，氫氣含量高，這非常適合采用以氫的分壓差為推動力的膜分離技術(shù)對氫氣進行提純回收。因此，為了達到節(jié)能減排、降本增效的目的，2013年，該廠采用柏美亞（中國）有限公司膜分離技術(shù)，挖掘原裝置的潛能，建成一套膜分離回收裝置，對PSA單元的生產(chǎn)能力進行有力補充，自投入運行后，取得了顯著的效益。

1　工藝流程及產(chǎn)品規(guī)格

1.1工藝流程

合成氣在甲醇合成塔反應后形成氣溶混合物，經(jīng)水冷器降溫和分離器氣溶分離后，得到壓力大概在9～9.9MPa·G的馳放氣，將其作為原料氣送往膜分離系統(tǒng)回收氫氣。

膜分離的工藝流程分為預處理（水洗塔、氣溶分離器、加熱器）和膜分離兩部分。原料氣首先進入水洗塔與經(jīng)過預熱后的脫鹽水逆流接觸，洗滌，除去馳放氣中的甲醇，經(jīng)水洗后的馳放氣，接著進入氣溶分離器，進一步將氣體中霧沫除去，然后再進入套管式原料氣加熱器，將水洗后的原料氣加熱到其露點溫度以上，達到65℃。這是因為水洗后的馳放氣溫度若低于露點溫度，則原料氣在進入PRISM膜分離器分離時，會在纖維表面形成冷凝溶，導致回收率下降。預處理完畢后的原料氣直接進入PRISM膜分離器進行分離，膜分離器由5組外形類似管殼式的換熱器組成，前3組并聯(lián)后再與同樣采取并聯(lián)方式的后2組串聯(lián)運行。每組膜分離器芯部都是由數(shù)以萬計的中孔纖維管組成，原料氣由膜組件下端側(cè)面進入后沿纖維束外表面流動，混合氣體接觸到中孔纖維膜時便進行滲透、溶解、擴散、解析過程[3]。由于中孔纖維膜對各種氣體的選擇性不同，從而導致其在膜中的相對滲透速率差別較大，氫氣在膜表面滲透速率是甲烷、氮氣及氬氣等的幾十倍，氫氣進入每根中孔纖維管內(nèi)，匯集后從滲透氣出口排出，未滲透的氣體從膜分離器尾氣出口排出，從而實現(xiàn)分離提純的目的。

圖1　膜分離氫回收系統(tǒng)流程圖

1.2設計采用原料及產(chǎn)品指標

表1　合成塔出口馳放氣組成

表2　膜分離設計原料指標

表3　膜分離設計產(chǎn)品指標

1.3膜分離氫回收裝置的建設

該系統(tǒng)共有設備10臺（套），膜回收分離器選用柏美亞（中國）有限公司成套設備，配置分離器2臺，換熱器3臺，為了充分利用現(xiàn)有場地，便于操作及維護，膜分離系統(tǒng)所有設備緊鄰PSA裝置安置，這樣不但充分利用了空間而且使得氫回收單元設備集中，顯得緊湊而美觀，便于操作維護。

2　膜分離投用后系統(tǒng)的效能測試

2.1未投用膜分離時馳放氣中氫氣回收情況

馳放氣中的總氫量：（44 035+4 500）×51.05%=24 777m3（標）/h。

PSA回收氫氣量：13 586×0.9994= 13 577m3（標）/h。

PSA氫氣回收率為：13 577/（44 035×51.05%）=60.04%。

表4　產(chǎn)量和物料消耗數(shù)據(jù)[4]

表5　噸消耗情況[4]

處理不了放空做燃料損失的氫氣量：4 500×51.05%=2 297.25 m3（標）/h。

總計回收氫總量：13 577m3（標）/h，總回收率：54.79%。

2.2投用膜分離后的馳放氣中氫氣回收情況

馳放氣中的總氫量：（43 454.2+5 090.7）×52.80%=25 631.7 m3（標）/h。

PSA回收氫氣量：13 757.5×0.9994=13 749.2m3（標）/h。

PSA氫氣回收率為：13 749.2/（43 454.2*52.8%）=59.93%。

膜分離回收氫量：3 212.9×80.17%=2 575.78m3（標）/h。

回收率：2 575.78/（5 090.7×52.80%）=95.82%。

總計回收氫總量：16 324.98，總回收率：63.69%。

2.3產(chǎn)量比較

投用膜分離比沒有投用膜分離平均每天多產(chǎn)15.58t。

2.4綜合能耗比較

投用膜分離比沒有投用膜分離能耗低0.21GJ/t。

2.5節(jié)能減排

該甲醇裝置設計年產(chǎn)能為6×104t，根據(jù)現(xiàn)有運行數(shù)據(jù)，在投用膜分離情況下，年節(jié)能4 299t標煤，年減排CO2溫室氣體7 068t，這對節(jié)能減排，減少溫室氣體排放工作具有極大現(xiàn)實價值。

2.6效益比較

投用膜分離比沒有投用日增產(chǎn)15.58t，每天節(jié)約天然氣11 400m3。

3　結(jié)論和建議

1）膜分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設備體積較小，占地面積小、易操作、易維護、事故率低、其產(chǎn)品氫純度較高，回收率高，適合回收甲醇合成馳放氣中的氫氣。

2）利用合成塔出口的高壓馳放氣做原料氣，無需加壓設備。膜分離系統(tǒng)運行所需要的低壓蒸汽為現(xiàn)裝置富余放空的低壓蒸汽，僅需消耗少量的脫鹽水和循環(huán)冷卻水，費用投入低，節(jié)能降耗成效顯著，提高了產(chǎn)量，降低了甲醇的生產(chǎn)成本。

3）為了保持Prism的良好運轉(zhuǎn)，延長滲透膜的使用壽命，應盡量凈化入口原料氣并防止原料氣夾帶溶體，在開停車及日常操作中，應嚴格按工藝規(guī)程操作，尤其是在停車后要嚴防反向泄壓置換操作。

4）操作彈性大，可在線通過調(diào)整投用膜組件的數(shù)量來決定膜分離單元生產(chǎn)負荷大小，在PSA單元停運或降負荷檢修中，膜分離系統(tǒng)成為氫回收系統(tǒng)調(diào)整負荷的有力手段。

5）中海石油建滔化工有限公司建成并投用的膜分離回收氫氣裝置，對PSA單元的生產(chǎn)能力進行有力補充，回收馳放氣中的氫氣，增產(chǎn)降耗，徹底解決了PSA單元生產(chǎn)能力不足，及停車或檢修過程中的馳放氣氫浪費問題，達到了設計初衷。并因節(jié)能減排工作成效顯著，年節(jié)能4 299t標煤，年減排溫室氣體CO27 068t，而榮獲2014年度海南省節(jié)能減排專項資金的嘉獎。

6）此技術(shù)改造對其它甲醇廠在解決合成催化劑使用中、后期馳放氣大量放空的問題具有極大參考價值。

[1] 董子豐.氫氣膜分離技術(shù)的現(xiàn)狀、特點和應用[J].工廠動力，2000，（1）：25-35.

[2] 穆海濤.膜分離氫提濃技術(shù)在加氫裂化裝置上的應用[J].石油煉制與化工，2007，（7）：25-28.

[3] 秦孝良.膜分離技術(shù)在煉油廠氫氣膜回收裝置中的應用[J].工藝與設備，2006，（12）：46-49.

[4] 中海石油建滔化工有限公司日產(chǎn)2 000t甲醇裝置膜分離性能測試報告[R].2014.

Application of membrane separation in synthesis units of methanol plant

Jia Xiao-wen

Application of membrane separation for hydrogen purification in purge gas recovery process was introduced，and the implementation in synthesis units of methanol plant.also had a performance test of the system，which was used to solve the loss problem of hydrogen purge gas venting，with the technology of membrane separation，the hydrogen recovery rate increased by 9%，and improved hydrogen resource utilization efficiency in purge gas and lowering energy consumption was significantly，enormous economic benefit were obtained.

membrane separator；purge gas；hydrogen；recovery

TQ223.121

B

1003-6490（2016）03-0006-02

2016-02-22

賈曉文（1982—），男，陜西寶雞人，助理工程師，主要從事甲醇生產(chǎn)操作和技術(shù)工作。