膜分離技術在渣油加氫裝置中的應用

陳偉軍

（中國石化天津分公司，天津 300270）

渣油加氫技術可以有效降低渣油原料中氮、硫和金屬等雜質［1-2］的含量，提高氫碳比，降低殘炭含量，改善裂解性能，是一種有效實現渣油輕質化的技術［3-5］。渣油加氫過程中需要消耗大量的氫氣（每立方米渣油消耗100～170 m3氫氣），氫氣的費用占整個工藝費用的70%以上［6］。渣油加氫排放氣中含有大量的氫氣，對排放氣中的氫氣進行分離純化并實現回用，是一種有效提高資源利用率的方法。膜法氫氣回收技術具有流程簡單、傳動設備少、環保節能、效益高等優點，受到廣泛關注［7-13］。

中國石化天津分公司采用膜法氫氣回收技術對2.60 Mt/a渣油加氫裝置的排放氣進行分離純化，實現了能源與資源的有效利用，使用的膜組件為商業化的Prism?膜組件。該組件采用管殼式外殼，內部填充中空纖維膜，比表面積大，分離性能和抗壓性能好。另外，Prism?膜組件的膜絲在膜殼內部是開放式排布，沒有纏繞結構，具有良好的抗粉塵能力。所用膜絲采用濕法抽絲工藝制備，具有很強的耐氣態烴和耐水性能。該套膜分離氫氣回收裝置的設計規模為40 000 m3/h，年開工時數8 000 h，操作彈性為60%～120%。

本工作分析了中國石化天津分公司的膜法氫氣回收裝置在不同工況、不同階段的運行情況，為膜法氫氣回收裝置的設計提供了參考。

1 膜分離技術的原理

膜分離原理是利用各氣體組分在高分子聚合物中的溶解擴散速率不同，在膜兩側分壓差的作用下，各組分滲透通過纖維膜壁的速率不同，從而達到分離的目的［14-16］。推動力、膜面積及膜的分離選擇性構成了膜分離的三要素。依照氣體滲透通過膜的速率快慢，可把氣體分為“快氣”和“慢氣”。常見氣體中，H2，He，H2S等為“快氣”；N2，CO，Ar，CH4及其他烴類等為“慢氣”。

混合氣體進入膜分離器后，沿纖維膜外側流動，維持纖維膜內外兩側具有適當的壓差，在分壓差的驅動下，“快氣”優先透過纖維膜壁在管內低壓側富集，作為提純氣導出膜分離系統，“慢氣”則被滯留在非提純氣側，壓力幾乎與原料氣相同，經減壓冷卻后送出界區。

2 膜法氫氣回收工藝流程

膜分離氫氣回收裝置配套2.60 Mt/a的渣油加氫裝置，從排放的高壓富氫氣體中回收氫氣，工藝流程如圖1所示，對應的主要設備參數如表1所示，工藝流程主要分為預處理和膜分離兩部分。

圖1 膜分離裝置的工藝流程Fig.1 Process diagram of membrane separation process.

表1 主要設備及其設計參數Table 1 Major equipment and its design parameters

2.1 預處理單元

約55 ℃、16 MPa的原料氣進入膜分離裝置，經上游穩流后最大流量約為40 000 m3/h。原料氣先進入預冷器冷卻到40 ℃，再經裝有高效除霧元件的除霧器，除去粒徑大于5 μm的霧狀液態粒子，可冷凝的液沫霧滴被捕集形成液體后，通過除霧器底部的自動開關球閥排出。經過除霧器后的氣體進入聚結器，聚結器內裝有精密濾芯，可除去粒徑大于0.3 μm的霧狀液態粒子，可冷凝的液沫霧滴被捕集后，通過聚結器底部的閥門定時手動排出，根據液量，每8 h至少排1次，當過濾器壓差大于100 kPa時需更換濾芯，濾芯的使用壽命約8 400 h。最后原料氣經加熱器加熱至83 ℃，使原料氣遠離露點，并恒定保持膜分離系統的操作溫度。

2.2 膜分離單元

原料氣加熱至83 ℃后，進入膜分離器組件進行分離，為保證產品氣濃度及氫氣回收率，該膜組件按照6+3串并聯（即一組6個串聯，另一組3個串聯，然后兩組并聯）布置。原料氣從一側進入膜分離器的中空纖維絲內，氣體的各組分在透過中空纖維膜時的溶解度和擴散系數不同，因此在膜中的相對滲透速率也不同，氫氣的相對滲透速率最快，從而可將氫氣分離。當原料氣沿分離器長度方向流動時，更多的氫氣擴散出中空纖維絲，在中空纖維膜芯外側得到富氫產品，稱為提純氣，兩組膜的產品氣匯聚一起，壓力為9.12 MPa，提純氣隨后進入水冷器冷卻，然后進入新氫壓縮機三級入口，在壓縮機出口得到的尾氣，經調節閥降壓至1.2 MPa，送至下游裝置。

3 運行情況分析

反應初期和反應末期不同工況下膜分離氫氣回收裝置的運行數據見表2和表3。由表2可以看出，當原料氣的組成相同時，工況不同，提純氣中氫氣的純度不同，回收率也不同，即裝置在實際運行中可以通過調整工況來改變提純氣中氫氣的純度及回收率。對比表2和表3可知，在相同的工況下，原料氣的組成不同，產品的純度和回收率不同。原料氣中氫氣的含量越高，提純氣中氫氣的純度越高，反應初期原料氣中氫氣含量為93.91%（x），高于反應末期（87.54%（x）），無論是在工況A還是工況B下，反應初期提純氣中氫氣的純度均高于反應末期。由表2和表3還可看出，在反應初期和反應末期，不同工況下氫氣的回收率均超過75%。

表2 反應初期不同工況下的運行數據Table 2 Operating data of different operating conditions at the start of run

表3 反應末期不同工況下的運行數據Table 3 Operating data of different operating conditions at the end of run

該回收裝置建成投產后，運行狀況良好，工況B下不同時間裝置的運行數據見表4。根據表4計算出氫氣的平均回收率為93.21%，提純氣中氫氣的純度大于98%（x），實際運行數據與設計值相近，滿足裝置工藝運行需要。

表4 工況B下不同時間裝置的運行數據Table 4 Operating data of operating condition B at different time

4 結論

1）中國石化天津分公司采用膜分離氫氣回收裝置對2.60 Mt/a的渣油加氫裝置的尾氣進行處理，可將含氫氣體進行濃縮，回收氫氣的純度大于98%（x），平均回收率大于75%，運行數據與設計值相近，滿足實際生產的需要。

2）膜法氫氣回收裝置可通過調整工況，實現降低氫氣產品的純度來提高回收率，也可以降低回收率來提高氫氣產品的純度。