郝 明，關(guān)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(jī)蒸氣膜分離設(shè)備的應(yīng)用

郝 明，關(guān)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(jī)蒸氣膜分離設(shè)備在乙烯廠低密度聚乙烯裝置上的應(yīng)用及增效改進(jìn)進(jìn)展。

低密度聚乙烯裝置；有機(jī)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(fā)的氣相流化床技術(shù)，1996年9月投產(chǎn)。原裝置年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為l0萬t，擴(kuò)建后裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(jīng)低壓冷凝和高壓冷凝進(jìn)行液化回收，重新送回到反應(yīng)器中重復(fù)使用。

一、回收系統(tǒng)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(jī)入口保護(hù)過濾器過濾細(xì)粉，經(jīng)低壓冷卻器冷卻、低壓冷凝器冷凝，形成的冷凝液由低壓儲(chǔ)罐收集，并由低壓凝液返回泵送回反應(yīng)器。未冷凝的氣體經(jīng)壓縮機(jī)增壓后經(jīng)尾氣回收壓縮機(jī)出口過濾器過濾細(xì)粉，并經(jīng)壓縮機(jī)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(chǔ)罐收集，并由高壓凝液返回泵送回反應(yīng)器。不凝氣經(jīng)壓縮機(jī)出口換熱器，與壓縮機(jī)出口氣體換熱之后進(jìn)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(yīng)排料系統(tǒng)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(shè)備結(jié)構(gòu)原理

有機(jī)蒸氣膜是一種高通量、薄片狀的復(fù)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(jī)蒸氣膜中透過速率不同的特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣體中不同組分的分離。

圖1 MTR多層復(fù)合膜的截面圖

有機(jī)蒸氣膜采用卷式膜。原料氣進(jìn)入膜組件后，在薄膜層之間流動(dòng)。原料側(cè)和滲透?jìng)?cè)之間的隔網(wǎng)為氣體流動(dòng)創(chuàng)造了通道。圖2膜組件包括沿著滲透管軸線構(gòu)建的螺旋卷式膜及其中間的隔膜。

圖2 MTR卷式膜的結(jié)構(gòu)

滲透速率大的有機(jī)蒸氣通過膜后，進(jìn)入膜組件中間的滲透?jìng)?cè)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(shí)現(xiàn)有機(jī)蒸氣與小分子氣體的分離(圖3)。

圖3 有機(jī)蒸氣膜分離過程

壓力差是使有機(jī)蒸氣持續(xù)透過膜的驅(qū)動(dòng)力，直接影響了氮?dú)庖约坝袡C(jī)蒸氣滲透過膜的速率。壓力越大，通過有機(jī)膜的通量越大，這樣即使減少膜組件的數(shù)量也可以達(dá)到有效的分離。

低密度聚乙烯裝置脫氣中碳?xì)浠衔锏幕厥?，采用有機(jī)蒸氣膜分離方法，主要是利用“反向”選擇性高分子復(fù)合膜，根據(jù)不同氣體分子在膜中的溶解擴(kuò)散性的差值，在一定壓差推動(dòng)下，可凝氣有機(jī)蒸氣(如丁烯、戊烷等)與惰性氣體(如氮?dú)?、氫?相比，被優(yōu)先吸附滲透，從而達(dá)到分離的目的。

三、項(xiàng)目建設(shè)背景及意義

低密度聚乙烯車間的回收系統(tǒng)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(yīng)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(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源的再利用，可降低裝置能耗，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

尾氣通過MTR有機(jī)膜分離系統(tǒng)的膜表面，因碳?xì)浠衔锿ㄟ^MTR膜比惰性氣體快，可使氣流被分為富含碳?xì)浠衔锏臐B透氣流(丁烯和戊烷)和富含氮?dú)獾臐B余氣。

滲透氣進(jìn)入新回收系統(tǒng)，經(jīng)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(jīng)高壓凝液返回泵送往反應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)。未冷凝氣進(jìn)入排放氣回收壓縮機(jī)壓縮，再經(jīng)熱交換器和高壓冷卻器冷卻、高壓冷凝器冷凝后進(jìn)入高壓貯罐回收碳?xì)浠衔?，液相送往反?yīng)循環(huán)系統(tǒng)，氣相經(jīng)熱交換器后送入緩沖罐。富含氮?dú)獾臐B余氣送入火炬。

四、膜回收技術(shù)的應(yīng)用

膜分離系統(tǒng)于2008年8月底安裝完成后調(diào)試運(yùn)行。在調(diào)試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，受尾氣回收壓

縮機(jī)出口溫度影響，膜回收入口緩沖罐溫度高于膜回收系統(tǒng)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(jìn)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(dá)到允許范圍。如圖4所示，在出口換熱器冷側(cè)增加一條旁路管線，旁路中的冷氣不經(jīng)換熱直接進(jìn)入回收緩沖罐。同年10月系統(tǒng)成功投運(yùn)。

圖4 設(shè)備改造流程圖

1.實(shí)際工作中的運(yùn)行情況

膜分離投用后，回收系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，車間先后進(jìn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

表3 膜分離裝置的性能考核值

考核結(jié)果表明，考核期間膜分離系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，均達(dá)到性能保證值。

2.膜分離投用后對(duì)回收系統(tǒng)的影響

膜回收投用后，滲透?jìng)?cè)流量增大，回收氣量增加，壓縮機(jī)入口壓力增大，脫氣倉壓力升高?；厥諝庵卸∠?、戊烷含量增多，需要冷量增大，制冷系統(tǒng)負(fù)荷增大。加上在換熱器冷側(cè)補(bǔ)加一條旁路管線，旁路中的冷氣不通過換熱直接進(jìn)入氣體緩沖罐，使膜入口溫度達(dá)到允許范圍內(nèi)。但是這樣會(huì)使高壓儲(chǔ)罐溫度升高，回收效果受到一定的影響。因此，回收壓縮機(jī)的能力是影響膜回收系統(tǒng)投用的決定因素，而制冷系統(tǒng)冰機(jī)的能力是影響膜回收系統(tǒng)投用的必要條件。

五、經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

膜分離投用前后對(duì)比見表4。

表4 膜分離投用前后效果

效益計(jì)算：2009年計(jì)劃生產(chǎn)聚乙烯27.4萬t，膜分離投用8個(gè)月，按戊烷油7 000元/t、丁烯3 500元/t計(jì)算，增加效益為321.6萬元。

六、改造計(jì)劃

下一步考慮在氣體儲(chǔ)罐與膜回收系統(tǒng)之間加1臺(tái)冷卻器，使換熱后膜入口溫度符合設(shè)計(jì)值。這樣，膜回收投用時(shí)換熱器的跨線不用開，避免了冷量的損失，而且在夏季氣溫高時(shí)膜分離也能正常投用，從而進(jìn)一步降低戊烷油和丁烯的單耗。

[1] 梁琳.焊接對(duì)壓力容器強(qiáng)度的不良影響及設(shè)計(jì)對(duì)策[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)，2012(9)：65-66.

[2] 李衛(wèi)軍，鄧宇，李凱.制氫轉(zhuǎn)化氣蒸氣發(fā)生器管束內(nèi)漏故障分析及其處理[J].化工設(shè)備與管道，2010(5)：28-30.

[3] 許文虎，賈軍艷，郭巍，孔祥臣.常減壓裝置高溫腐蝕劑防護(hù)[J].壓力容器，2003(3)：36-37.

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