CN101912720A - 串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法，包括混合气源经预处理后，先经过A组氢分离膜，一级分离部分氢气；渗余气进入B组有机气体分离膜，二级分离烃类组份；B组膜的渗余气再进入C组氢分离膜，三级分离氢气。还提供了串联式膜分离石化干气中低浓度氢的装置。本发明具有以下优点：两道氢分离膜之间加道有机气体分离膜分离烃类气体，以保证第二道氢膜分离中不会有液态烃析出。同时用HYSYS和混合气源中烃氢比例计算三组分离膜各自的分离温度和三组膜的膜数量配置。从而使膜分离性能和膜配置都达到最优化。

Description

串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法及其装置

技术领域

本发明涉及串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法及其装置，不仅适用于炼厂干气中氢烃的工业化高效分离，而且也适用于其它以氢烃为主的混合气源或经处理转变成以氢烃为主的混合气源的氢烃工业化高效分离。属于气体分离技术领域。

背景技术

随着石油化工工业的不断发展和加工与合成技术的不断进步，石油加工和化工合成工业中形成的循环气、释放气和尾气中含有大量的氢烃类气体，这些气体如果送入到燃烧炉燃烧，必将形成极大的资源浪费并相应地增加工业成本。另外在石油加工过程中，为了提高石油加工的轻油率，采用催化裂化、重整、焦化和加氢等深度加工技术工艺，使加工干气中含有大量的氢气、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯甚至碳四和碳五等多种宝贵的化工原材料，因此需要发展新的气体分离技术和工艺，以分离回收干气中氢和烃类组份。

现在工业上常用的分离方法有深冷分离法、浅冷分离法、油品吸收法、吸附法、膜分离法等方法；国内外也有利用这三种或三种中的两种方法相结合的专利（92109983.5、200710131549.4、200610135849.5和92100812.0等），但在工业上应用较少，而且成本相对较高。也有利用二级膜分离和变温二级膜分离的专利（93103019.6、95117302.2），但这些专利技术不能分离氢烃组份含量都相对较大的混合气源，也不能分离氢含量在30~60%的混合气源，现在工业上已使用的氢膜分离装置大多都是分离氢含量在60%以上的混合气源；如果分离氢含量较低而烃含量较高的混合气源时，会有液态烃在第二道氢膜分离过程中析出。因为烃含量较高，在氢分离过程中随着氢气的分离渗出，烃类组份的分压加大，必将有气态烃类变成液态在膜中析出而损害分离膜的性能和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够保证在分离过程中不会有液态烃类在膜中析出而损害分离膜，并能更高效地且更能适用于不同比例的氢烃为主的混合气源、还能大规模地同时分离氢烃的串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法，还提供了相应的装置。

串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法，包括两组氢分离膜（A与C）和一组有机气体分离膜（B）串联分级分离出石化干气中的氢烃组份，其特征在于：

1、混合气源经预处理后，先经过A组氢分离膜，一级分离部分氢气；渗余气进入B组有机气体分离膜，二级分离烃类组份；B组膜的渗余气再进入C组氢分离膜，三级分离氢组份。

2、A组、B组和C组三组膜的数量不一定相等，要通过对混合气源中氢与烃类组份含量比例计算确定A、B、C三组分离膜的膜数量，从而使膜分离工艺配置达到最优化，通常是A组膜的数量大于等于B组膜的膜数量，而B组膜的数量也大于等于C组膜的膜数量。

3、A组膜和C组膜分离出来的渗透气为富氢气体，而B组膜分离出来的渗透气为富烃气体。

4、B组膜的作用是在分离烃类气体的同时降低了渗余气中烃类气体的分压并提高了氢气的分压，这样不仅保证了液态烃类不在C组膜分离过程中析出，同时又提高了C组膜的分离效率。如果没有B组有机气体分离膜分离部分烃类并降低烃类气体的分压，含烃类组份较多的混合气源虽经预处理分离出部分烃类组分，仍会有部分烃类在第二次分离氢气的分离膜中析出而极大地损害氢分离膜的性能和使用寿命。

5、三组膜的分离温度是要用HYSYS（一种炼厂通用的工艺设计软件）对进膜气体（混合气源或上一级的渗余气）和出膜的渗余气进行露点计算，在保证每组膜的操作温度均高于进膜气体（混合气源或上一级的渗余气）的露点温度和出膜气体（该组膜的渗余气）的露点温度10℃左右条件下，尽量将操作温度控制在30℃~70℃之间；而且A组膜和C组膜的操作温度相差最好控制在0~40℃之间，而B组膜的操作温度与A组相同，B组膜的操作温度也可以高于A组膜的操作温度而与C组膜相同。如果HYSYS计算三组膜的进膜气和出膜气露点都较低时，A、B、C三组膜的操作温度可以相同；因为操作温度增加，膜的渗透性增加，从而提高膜的分离产率，但却降低了膜的选择性，造成膜的分离效率下降。同时操作温度高于80℃~90℃将影响膜的使用寿命。

6、利用膜分离渗余气压降较小的特点，只给渗余气进行多次分离；渗透气压降较大，直接送入相应的收集管路。

总之，就是通过HYSYS对每组膜的进气和出气进行露点计算，确定A、B、C三组膜的操作温度，并根据混合气源的气量和氢与烃类组份的含量比例计算确定各组膜的膜数量（如果烃类组份含量较低时，B组膜的膜数量可以为零），然后按A、B、C三组膜顺序依次串联分离。

相应地，本发明根据上述方法还提供了相应的串联式膜分离石化干气中低浓度氢的装置，包括混合气源的预处理系统和三级膜分离系统两大部分，其中预处理系统包括压缩机、冷却器、分液罐、旋风分离器、三级过滤器和加热器，三级膜分离系统包括A组膜(一级分离膜)、B组膜(二级分离膜)、再加热器和C组膜(三级分离膜)；从混合气源管来的混合气源经压缩机加压至2.0～5.0 Mpa，经冷却器冷却至0~40℃后，顺次进入分液罐、旋风分离器和三级过滤器，除去混合气源中部分易液化的烃类和大于0.01μm的液滴及机械杂质，然后由加热器加热至计算确定的A组膜操作温度，完成混合气源的预处理过程；经预处理的混合气源送入A组膜（氢分离膜）的入气口实施一级膜分离，A组膜的渗透气（富氢气体）进入富氢气收集管，渗余气进入B组膜（有机气体分离膜）二级分离，分离的渗透气（富烃气体）被送入混合气源管重新冷凝分离，渗余气进入再加热器加热至计算确定的C组膜操作温度后，进入C组膜（氢分离膜）实施三级分离，C组膜的渗透气（富氢气体）进入富氢气收集管，渗余气送入尾气收集管。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、争对干气组份中烃类含量较高的富氢混合气源，在两组氢分离膜之间加设一组有机气体分离膜，以分离出大部分烃类气体，并降低进入第二道氢分离膜的混合气体中烃类气体的分压，从而保证在第二道氢分离膜中绝对不会有液态烃析出来损害氢分离膜的性能和使用寿命。

2、通过HYSYS计算确定A、B、C三组膜的操作温度，从而使三组分离膜的分离性能达到最佳。

3、通过对混合气源中氢与烃类组份含量比例计算确定A、B、C三组膜的膜数量，从而使膜分离工艺配置达到最优化。

4、利用膜分离渗余气压降较小的特点，只给渗余气进行多次分离；渗透气压降较大，直接送入相应的收集管路。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图中：1、压缩机，  2、冷却器，  3、分液罐，   4、旋风分离器，   5、三级过滤器，   6、加热器，   7、A组膜(一级分离膜)，   8、B组膜(二级分离膜)，   9、再加热器，   10、C组膜(三级分离膜)，   11、混合气源管，   12、液态烃类回收总管，   13、尾气 (三级分离渗余气)收集管，   14、富氢气收集管

具体实施方式

在图1所示的实施例中：混合气源管11送来的混合气源，经压缩机1加压至2.0～5.0 Mpa，经冷却器2冷却至0~40℃后，顺次进入分液罐3、旋风分离器4和三级过滤器5，除去混合气源中部分易液化的烃类和大于0.01μm的液滴及机械杂质，然后由加热器6加热至计算确定的A组膜操作温度，完成混合气源的预处理过程；经预处理的混合气源送入A组膜7（氢分离膜）的入气口实施一级膜分离，A组膜7的渗透气（富氢气体）进入富氢气收集管14，渗余气进入B组膜8（有机气体分离膜）二级分离，分离的渗透气（富烃气体）被送入混合气源管11重新冷凝分离，渗余气进入再加热器9加热至计算确定的C组膜10操作温度后，进入C组膜10（氢分离膜）实施三级分离，C组膜10的渗透气（富氢气体）进入富氢气收集管14，渗余气送入尾气收集管13。

实施例：石化干气中氢烃的分离回收

实施例中用户提供的混合气源的流量和组成见附表1，提供的混合气源压力0.5 Mpa(G)；

用户要求：回收氢气的浓度达到85%以上，回收率尽可能高，并且要求回收氢气压力1.2MPa以上。

采用本发明工艺和计算： A、B、C三组膜各配置一支膜，三膜的操作温度都设计为55℃；

0.5 MPa（G）的混合气源经压缩升压到3.5MPa（G），产品富氢气压力为1.2 MPa（G）。

最终可获得的产品氢气即A膜渗透气+C膜渗透气的混合气浓度为：85.73%，氢气回收率：83%。三组膜分离渗透气和渗余气计算数据详见附表2

附表1：混合气源组成和预处理计算数据

附表2：A、B、C三组膜分离渗透气和渗余气计算数据

Claims (7)

1.串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法，包括两组氢分离膜（7）（10）和一组有机气体分离膜（8）串联分级分离出石化干气中的氢烃，其特征在于：混合气源经预处理后，先经过A组氢分离膜（7），一级分离部分氢气；渗余气进入B组有机气体分离膜（8），二级分离烃类组份；B组膜（8）的渗余气再进入C组氢分离膜（10），三级分离氢气。

2.如权利要求1所述的串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法，其特征在于：三组膜的分离温度要用HYSYS（一种炼厂通用的工艺设计软件）对进膜气体（混合气源或上一级的渗余气）和出膜的渗余气进行露点计算，在保证每组膜的操作温度均高于进膜气体（混合气源或上一级的渗余气）的露点温度和出膜气体（该组膜的渗余气）的露点温度10℃左右条件下，尽量将操作温度控制在30℃~70℃之间；而且A组膜（7）和C组膜（10）的操作温度相差最好控制在0~40℃之间；如果HYSYS计算三组膜的进膜气和出膜气露点都较低时，A、B、C三组膜的操作温度可以相同；因为操作温度增加，膜的渗透性增加，从而提高膜的分离产率，但却降低了膜的选择性，造成膜的分离效率下降；同时操作温度高于80℃~90℃将影响膜的使用寿命。

3.如权利要求1所述的串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法，其特征在于：B组膜（8）的作用是在分离烃类气体的同时降低了渗余气中烃类气体的分压并提高了氢气的分压，这样不仅保证了液态烃类不在C组膜（10）分离中析出，同时又提高了C组膜（10）的分离效率；如果没有B组有机气体分离膜（8）分离部分烃类并降低烃类气体的分压，含烃类组份较多的混合气源虽经预处理分离出部分烃类组分，仍会有部分烃类在第二次分离氢气的分离膜中析出而极大地损害氢分离膜的性能和使用寿命。

4.如权利要求1所述的串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法，其特征在于：A组膜（7）、B组膜（8）和C组膜（10）三组膜的膜数量不一定相等，要通过对混合气源中氢与烃类组份含量比例计算确定A、B、C三组分离膜的膜数量，从而使膜分离工艺配置达到最优化，通常是A组膜（7）的膜数量大于等于B组膜（8）的膜数量，而B组膜（8）的膜数量也大于等于C组膜（10）的膜数量。

5.如权利要求1和2所述的串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法，其特征在于： A组膜（7）和C组膜（10）的操作温度相差控制在0~40℃之间，而B组膜（8）的操作温度与A组膜（7）相同，B组膜（8）的操作温度也可以高于A组膜（7）的操作温度而与C组膜（10）相同；如果HYSYS计算三组膜的进膜气和出膜气露点都较低时，A、B、C三组膜的操作温度可以相同。

6.如权利要求1所述的串联式膜分离石化干气中低浓度氢的方法，其特征在于：A组膜（7）和C组膜（10）分离出来的渗透气为富氢气体，而B组膜（8）分离出来的渗透气为富烃气体。

7.串联式膜分离石化干气中低浓度氢的装置，包括混合气源的预处理系统和三级膜分离系统两大部分，其特征在于：混合气源的预处理系统还包括压缩机（1）、冷却器（2）、分液罐（3）、旋风分离器（4）、三级过滤器（5）和加热器（6），而三级膜分离系统还包括A组膜（7）(一级分离膜)、B组膜（8）(二级分离膜)、再加热器（9）和C组膜（10）(三级分离膜)；混合气源从混合气源管（11）出来进入压缩机（1）加压后，依次进入冷却器（2）、分液罐（3）、旋风分离器（4）、三级过滤器（5），冷却分离除去混合气源中部分易液化的烃类和大于0.01μm的液滴及机械杂质，然后经加热器（6）加热至A组膜（7）的操作温度后进入A组膜（7）（氢分离膜）的入气口实施一级膜分离，A组膜（7）的渗透气（富氢气体）进入富氢气收集管（14），渗余气进入B组膜（8）（有机气体分离膜）二级分离，分离的渗透气（富烃气体）被送入混合气源管（11）重新冷凝分离，渗余气进入再加热器（9）加热至计算确定的C组膜（10）操作温度后，进入C组膜（10）（氢分离膜）实施三级分离，C组膜（10）的渗透气（富氢气体）进入富氢气收集管（14），渗余气送入尾气收集管（13）。

 

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