膜法氫氣提濃技術在煉廠中的應用

宋偉

摘 要：催化重整、催化裂化、加氫精制、PSA解吸等煉廠氣中的氫氣，通過膜分離技術回收，返回氫氣管網作為加氫原料，其經濟效益和社會效益非常可觀。

關鍵詞：膜法氫氣提濃；原理；工藝流程

1 氫氣膜分離技術原理

氫氣膜是用聚酰亞胺等高分子材料制成的一種中空纖維膜，對于不同氣體而言，它們在膜中的滲透速率大不相同，例如：H2O>H2>H2S>CO2>O2>Ar> CO>CH4>C2H6>N2。因此當具有一定壓力的混合氣體通過中空纖維膜分離器時，利用氣體自身的壓力作為推動力，通過“溶解一擴散一解吸”的機理，滲透速率較快的氣體（氫氣）透過膜后在設備的低壓滲透側富集，而滲透速率較慢的氣體在進氣高壓側富集。

氣體透過纖維膜的流量表達式為：

Qi=Ji·A·ΔPi

其中，Qi——透過膜的氣體流量，m3/h；

Ji ——滲透系數，m3/（m2·h·MPa）；

A ——膜面積，m2；

ΔPi ——膜兩側的分壓差，MPa；

由表達式可知，要在滲透側得到理想的氣體流量，就需要膜分離設備本身應具備較高的氣體選擇性、分離系數和滲透系數；同時通過膜的混合氣體還要有足夠的壓力，使膜兩側能夠產生足夠的分壓差做為推動力。

2 工藝流程描述

某煉廠的變壓吸附解析氣與精制干氣進入壓縮機升壓至1.2MPa，然后和加氫干氣混合后作為原料氣進入膜氫氣回收界區。膜分離裝置的工藝流程可分為預處理（過濾、加熱）和膜氫氣分離兩部分。

原料氣經過壓力調節后進入高效過濾器，去除氣體中夾帶的固體雜質、油滴及水汽等，然后進入蒸汽加熱器，將原料氣加熱至48～55℃，目的是保證進入膜分離的氣體遠離露點溫度，使原料氣中可能含有的液態物質不至在膜表面富集而影響氣體分離效果，同時使膜分離器處于最佳的工作狀態。

經過預處理后的原料氣進入膜分離器，氫氣以較快的速度透過膜絲，在低壓滲透側得到0.1MPa（G）、94%的高濃度氫氣，返回氫氣管網作為加氫原料；而其他組分的慢氣在原料側富集，通過自動調節閥送至界區外下游工段。

3 裝置運轉情況

該膜氫氣回收裝置經實際運行、檢驗后，滲透氣中的氫氣純度、回收率均達到了設計要求。經過對系統運行、穩定性、指標等方面的長期觀察，證明該氫氣回收裝置性能穩定，回收氫氣純度高，氣量大，產量增效明顯。部分運行數據見下表

裝置運行的初期原料氣中輕烴含量較高，為保證膜分離系統的安全運行，通過上游工藝及壓縮機分離設備的調整，降低了原料氣中的輕烴含量，減輕了膜裝置中高效過濾器的運行負荷。

該膜分離裝置根據設計要求和上、下游實際工況，為滿足系統氣量的波動同時又能達到指標要求，設計時將膜分離器分成若干組別。在實際生產過程中，裝置的運行負荷大致在9500～15000NM3/h之間波動，因此通過合理調整膜分離器組的投運組數，與裝置的進氣量匹配，保證了系統在各種工況條件下均能達到設計要求的氫氣純度和回收率指標，體現了較高的操作彈性和系統可靠性。

4 經濟效益核算

該膜分離氫回收裝置設計處理能力為20000NM3/h，實際運行達到約15000NM3/ h，原料氣氫氣濃度65%～75%，產品氫純度大于94%，氫氣回收率達到93%，裝置運行按照全年運轉8000h計，氫氣以1元/ NM3 計，則每小時回收的氫氣折算成純氫為：

15000×70%×93%=9765NM3/h

則全年預計可回收氫氣的價值為：

9765×8000×1/10000=7812萬元

該裝置在投運后3個月左右即可收回投資，經濟效益非常可觀。

5 裝置優勢

通常情況下，膜法氫氣提濃技術在中高壓條件下應用較多，這樣可以保證膜分離裝置在運行時有足夠的推動力。但是將煉廠氣升壓的過程，也增加了很大一部分能耗，經濟效益不好。而在推動力比較低的情況下，為得到回收率較高且高純度的氫氣，就要求膜纖維絲本身要具備更高的滲透性能和選擇性。

實踐證明此低壓膜分離氫回收系統很好的達到了預期的目標，不但節約了壓縮機的能耗，也得到了高純度、高回收率的氫氣，給企業帶來了很好的經濟效益和社會效益。

6 結論

經過實際論證，該膜氫氣分離系統的工藝簡單、能耗低、操作彈性大，同時其產品氫的純度高，回收率高，非常適用于低壓條件下煉廠氣中氫氣的回收工藝。

參考文獻

[1]王從厚，陳勇，尹中升.氫源與膜法提氫技術[J].分離信息薈萃，2005，（3）：90-91.

[2]Malder M，李琳（譯）.膜技術基本原理（第2版）[M].北京：清華大學出版社，1999：201-202.

（作者單位：大連邁泰克科技開發有限公司）