CN102515099A - 从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法，其特征在于包括以下步骤：1）弛放气的氨的吸收处理；2）气液分离处理；3）膜分离处理；4）气体后处理。本发明解决了阻碍膜分离方法在弛放气氢回收领域应用的关键问题，即低压下深度除氨问题和低压差情况下膜分离氢回收率低的问题。同时，通过完善的自控系统实时监控装置各项工艺参数，确保膜分离装置长周期稳定运行。与深冷法和变压吸附法相比，本发明采用膜分离方法回收氢气，克服了以往氢回收方法设备投资大、能耗高、氢气回收率低、技术性经济性差等缺点。

Description

从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法及装置

技术领域

本发明属于合成氨工业领域，尤其涉及一种从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法及装置。

背景技术

合成氨工业是一项基础化学工业，在化学工业中占有很重要的地位。合成氨广泛应用于化肥、各种铵盐、硝酸、炸药、塑料、合成纤维、油漆、感光材料等产品生产。目前全国合成氨年产量为5000多万吨，约占全世界产量的三分之一。随着全球人口达到70亿人并呈较快增长的趋势，人类对农作物增产以及环境绿化面积扩大的需求决定了对合成氨需求的增加。与此同时，合成氨工业为高能耗产业，其生产原料为煤炭、天然气、石油等不可再生资源，在资源日趋紧张、节能减排压力骤涨的今天，如何降低合成氨原料消耗、降低能源消耗、减少污染物排放、提高企业的经济效益，已成为当今合成氨工业生产技术发展的方向。

  合成氨装置在生产过程中需要进行气体放空的操作，放空气分为两股，一股是合成塔后的高压放空气，另一股是液氨储槽弛放气。这两股气体中均含有氢气，氢气是合成氨工业的反应物，对其进行回收和利用是合成氨厂节能减排增效的重要措施。

目前，对合成氨高压放空气氢气回收的方法及应用实例有很多，例如深冷法、变压吸附法、膜分离方法。但对液氨储槽弛放气中的氢气回收鲜有提及。

液氨储槽弛放气是高压下溶解在液氨中的H2、N2、CH4、Ar等气体连同氨蒸汽的混合气，占据液氨储槽气相空间，这部分气体的排放量约60Nm3/吨氨，其中H2体积分数约为25-35%, NH3体积分数约为40-50%, 其余为N2、CH4和Ar。合成氨厂的传统做法是将液氨储槽弛放气经过等压回收塔将其中的氨用水吸收后燃烧或排放，这样做造成很大的资源浪费。由于氨槽弛放气排放量相对较小、压力较低（1.5-2.5 MPa）、氨含量较高，用深冷法或变压吸附法回收氢气时设备投资大、能耗高、氢气回收率低、操作复杂，技术性和经济性较差，很少被选用。采用膜分离方法主要有两方面的问题待解决：前处理低压洗氨效果差不能保证膜的使用安全；低压操作氢气回收率较低。在这两方面问题解决前，限制了膜分离方法的工业应用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种氢气回收率高、前处理效率高、设备规格小、投资少、操作灵活且带有操作参数自动控制系统的膜分离氢回收方法和装置。

为了实现上述目的，本发明采用了以下方案： 

一种从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法，其特征在于包括以下步骤：

1）弛放气的氨的吸收处理；

2）气液分离处理；

3）膜分离处理；

4）气体后处理。

步骤1）所述对弛放气的氨的吸收处理是将弛放气通入氨吸收塔，同时泵入吸收剂对驰放气中的氨气进行吸收处理。

所述的氨吸收塔为填料式吸收塔，所述的吸收剂为脱盐水，经过吸收处理后的弛放气中的氨含量低于20ppm。

步骤2）所述的气液分离处理是将步骤1）中除氨后的弛放气通入气液分离器进行气液分离除去浃带的雾状液滴。

步骤3）所述膜分离处理是将经过步骤2）分离后的气体部分通过加热器加热后进入膜分离器进行处理，所述的膜分离器内中空纤维膜能承受2.5 MPa压差。

所述的加热器为套管式换热器，弛放气走芯管，蒸汽走套管，所述通过加热器加热后的气体温度为35-55℃。

步骤4）所述的气体后处理过程是经过膜分离器处理后的气体，其中透过膜的氢气形成渗透气返回合成循环压缩机，未透过膜的气体形成尾气送往气柜。

由于液氨储槽弛放气压力较低一般为1.5-2.5MPa，氢气透过膜的推动力较小，为维持必须的渗透推动力，渗透气压力不大于0.8MPa。膜分离器采用高透量、高选择性的低压膜分离器。

一种从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离装置，其特征在于包括氨吸收塔、气液分离器、套管加热器、膜分离器、脱盐水储槽、脱盐水泵、调节阀、在线检测仪表；

从装置外引入的弛放气管接入所述吸收塔填料下部，所述脱盐水储槽通过所述脱盐水泵接入所述吸收塔填料上部，所述吸收塔顶部接管与气液分离器入口相连，所述的气液分离器顶部出口管与所述套管加热器相连，所述套管加热器出口管与所述膜分离器入口相连，所述膜分离器的渗透气管与装置外合成循环压缩机相连，所述的膜分离器尾气出口管与装置外煤气柜相连；所述吸收塔底部出口管与装置外氨水储槽相连；从装置外引入的蒸汽管与所述的套管加热器套管相连，在所述的气液分离器内还装填除雾原件。

在所述弛放气管、渗透气管、尾气管、低压蒸汽管、氨水管上均安装有自动调节阀和在线检测仪表。

通过在线检测仪表及调节阀对压力、液位、温度进行控制；对压力、液位、温度、水泵进水量自动检测显示并设超限报警联锁；对入膜氨含量定期分析监测，对渗透气、尾气流量在线检测。

出现对膜分离器安全造成威胁的情况时，装置可实现自动停车并进入封闭保护状态，保证膜分离器不被损坏及装置运行稳定性。

该从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法及装置具有以下有益效果：

（1）与深冷法和变压吸附法相比，本发明采用膜分离方法回收液氨储槽弛放气中的氢气，克服了以往氢回收方法设备投资大、能耗高、氢气回收率低、技术性经济性差等缺点。

（2）本发明解决了阻碍膜分离方法在液氨储槽弛放气氢回收领域应用的关键问题，通过使用高效的填料吸收塔吸收弛放气中的氨，将弛放气氨含量降至20ppm以下，解决了弛放气中氨对膜分离器造成破坏的问题，确保了膜的使用安全。

（3）本发明通过使用大透量、高选择性、低强度的低压膜分离器，以牺牲膜的强度换取单位压差下氢气透过速率，解决了低压差情况下膜分离氢回收率低的问题。

（4）本发明通过完善的自控系统实时监测控制装置各项工艺参数有效的确保膜分离装置长周期稳定运行。

附图说明

图1：本发明从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法的装置示意图。

附图标记说明：

1—氨吸收塔；2—气液分离器；3—套管加热器；4—膜分离器 ；5—脱盐水储槽；6—水泵；7—调节阀；8—在线检测仪表。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明公开了一种从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离装置，包括氨吸收塔1、气液分离器2、套管加热器3、膜分离器4、脱盐水储槽5、脱盐水泵6、调节阀7、在线检测仪表8；

从装置外引入的弛放气管接入所述吸收塔1填料下部，所述脱盐水储槽5通过所述脱盐水泵6接入所述吸收塔1填料上部，所述吸收塔1顶部接管与气液分离器2入口相连，所述的气液分离器2顶部出口管与所述套管加热器3相连，所述套管加热器3出口管与所述膜分离器4入口相连，所述膜分离器4的渗透气管与装置外合成循环压缩机相连，所述的膜分离器4尾气出口管与装置外煤气柜相连；所述吸收塔底1部出口管与装置外氨水储槽相连；从装置外引入的蒸汽管与所述的套管加热器3套管相连；在所述的气液分离器2内装填除雾原件。在所述弛放气管、渗透气管、尾气管、低压蒸汽管、氨水管上均安装有自动调节阀7和在线检测仪表8。通过在线检测仪表8及调节阀7对压力、液位、温度进行控制；对压力、液位、温度、水泵进水量自动检测显示并设超限报警联锁；对入膜氨含量定期分析监测，对渗透气、尾气流量在线检测。

实施例1

液氨储槽驰放气首先进入低压高效填料式氨吸收塔1，气体在高效填料式氨吸收塔1中与水泵6打进的脱盐水在填料层中逆流接触，气相中的氨（NH₃）被水吸收后变成氨水，由塔底排出。脱氨后的气体由塔顶排出后进入气液分离器2，使水洗过程中产生的雾沫夹带得到分离。水洗目的主要是净化液氨储槽驰放气，除掉其中的氨，使残余氨含量符合膜分离器4的安全使用要求，水洗后气体的氨含量应低于20ppm。塔顶出来的气体通常在25℃左右。水洗过程气液两相平衡，使得塔顶出来的弛放气中水含量处于饱和状态，在气液分离器3以后的管路及膜分离器4中遇冷降温会出现水雾，进入膜分离器4后会造成膜分离器性能下降。因此，气液分离器2排出来的气体必须经过加热处理。加热器3为一套管式换热器，热源为低压蒸汽。弛放气在加热器3中被加热到40℃，此时弛放气中的水含量远离饱和点，可防止弛放气进入膜分离器后产生水雾，影响分离性能。水洗加热后的弛放气送入膜分离器4，各种气体以中空纤维膜内、外两侧气体分压差为推动力，通过渗透、溶解、扩散、解析等步骤透过膜。氢气透过膜的速度更快，使中空纤维膜内侧形成富氢区气流，而外侧形成了贫氢气流。前者称为渗透气，后者称为尾气。渗透气经压缩重返合成系统，尾气可供燃烧。装置运行过程中压力、温度、液位、流量均通过在线检测仪表8检测，根据检测值由调节阀7自动调节至设定值，若有检测值超出设定范围上下限，装置可实现自动停车，停车后各调节阀自动关闭，装置与外界封闭，可确保膜分离器使用安全。

经检测，本发明的氢气回收率达到92.12%，回收气体氢气摩尔分数达到90.24%，具体数据见表1。

表1

 

实施例2

弛放气在加热器中被加热到55℃，具体实施方式同实施例1。

经检测，此时本发明的氢气回收率达到93.66%，回收气体氢气摩尔分数达到89.57%，具体数据见表2。

表2

   

  从测试数据可得出，用膜分离方法回收液氨储槽弛放气中的氢气完全可行，其投资回收期不到3个月，技术性及经济性均明显优于其它方法，具有非常好的推广及应用价值。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法，其特征在于包括以下步骤：

1）弛放气的氨的吸收处理；

2）气液分离处理；

3）膜分离处理；

4）气体后处理。

2.根据权利要求1所述的从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法，其特征在于：步骤1）所述对弛放气的氨的吸收处理是将弛放气通入氨吸收塔，同时泵入吸收剂对驰放气中的氨气进行吸收处理。

3.根据权利要求2所述的从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法，其特征在于：所述的氨吸收塔为填料式吸收塔，所述的吸收剂为脱盐水，经过吸收处理后的弛放气中的氨含量低于20ppm。

4.根据权利要求1或2或3所述的从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法，其特征在于：步骤2）所述的气液分离处理是将步骤1）中除氨后的弛放气通入气液分离器进行气液分离除去浃带的雾状液滴。

5.根据权利要求4所述的从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法，其特征在于：步骤3）所述膜分离处理是将经过步骤2）分离后的气体部分通过加热器加热后进入膜分离器进行处理，所述的膜分离器内中空纤维膜能承受2.5 MPa压差。

6.根据权利要求5所述的从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法，其特征在于：所述的加热器为套管式换热器，弛放气走芯管，蒸汽走套管，所述通过加热器加热后的气体温度为35-55℃。

7.根据权利要求1-6任一项所述的从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离方法，其特征在于：步骤4）所述的气体后处理过程是经过膜分离器处理后的气体，其中透过膜的氢气形成渗透气返回合成循环压缩机，所述渗透气压力不大于0.8MPa，未透过膜的气体形成尾气送往气柜。

8.一种从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离装置，其特征在于包括氨吸收塔（1）、气液分离器（2）、套管加热器（3）、膜分离器（4）、脱盐水储槽（5）、脱盐水泵（6）、调节阀（7）、在线检测仪表（8）；

从装置外引入的弛放气管接入所述吸收塔（1）填料下部，所述脱盐水储槽（5）通过所述脱盐水泵（6）接入所述吸收塔（1）填料上部，所述吸收塔（1）顶部接管与气液分离器（2）入口相连，所述的气液分离器（2）顶部出口管与所述套管加热器（3）相连，所述套管加热器（3）出口管与所述膜分离器（4）入口相连，所述膜分离器（4）的渗透气管与装置外合成循环压缩机相连，所述的膜分离器（4）尾气出口管与装置外煤气柜相连；所述吸收塔底（1）部出口管与装置外氨水储槽相连；从装置外引入的蒸汽管与所述的套管加热器（3）套管相连；在所述的气液分离器（2）内装填除雾原件。

9.根据权利要求8所述从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离装置，其特征在于：在所述弛放气管、渗透气管、尾气管、低压蒸汽管、氨水管上均安装有自动调节阀（7）和在线检测仪表（8）。

10.根据权利要求8或9所述从合成氨液氨储槽弛放气中回收氢气的膜分离装置，其特征在于：通过在线检测仪表(8)及调节阀(7)对压力、液位、温度进行控制；对压力、液位、温度、水泵进水量自动检测显示并设超限报警联锁；对入膜氨含量定期分析监测，对渗透气、尾气流量在线检测。

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