CN103520946B

CN103520946B - 用于在烯烃聚合物生产中回收排放气的系统和方法

Info

Publication number: CN103520946B
Application number: CN201310444283.4A
Authority: CN
Inventors: 阳永荣; 杨中维; 王靖岱; 黄正梁; 蒋斌波; 廖祖维
Original assignee: HANGZHOU SHUANGAN SCI-TECH CO LTD
Current assignee: HANGZHOU SHUANGAN SCI-TECH CO LTD
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: BE1021955B1; US9034995B2; FR3010912A1; CN103520946A; US20150086429A1; FR3010912B1

Abstract

本发明提供了一种用于烯烃聚合工艺的排放物回收系统，包括：脱挥装置，其用于接收来自烯烃聚合工艺的排放物和新鲜吹扫气，并输出第一流体和聚烯烃树脂；包括压缩装置和第一换热装置的压缩冷却单元，其用于接受第一流体并输出第一气液混合物；用于对第一气液混合物进行气液分离的第一气液分离装置，其输出第一回收产品和第一气相成分；第一气体分离装置，其用于接收第一气相成分并脱除其中的小分子物质，输出富含小分子气体的成分和富含烃类物质的第二气相成分；以及第二气体分离装置，其包括第二换热装置、第二气液分离装置和第一气体膨胀装置。

Description

用于在烯烃聚合物生产中回收排放气的系统和方法

技术领域

本发明涉及烯烃聚合物的生产，更具体地涉及用于在烯烃聚合物生产中回收排放气的系统和方法。

背景技术

树脂脱挥（脱除树脂中可挥发物）和排放气回收是烯烃聚合物生产工艺中的重要工序，并且在许多文献中已经进行过相关的研究。例如，在CN102171256中描述了树脂脱挥过程和方法。而在US5,391,656中公开了一种压缩冷凝的排放气回收方法。

烯烃聚合生产过程中的排放气是指从反应器、闪蒸罐、脱挥装置等排出的含有反应气体的气态流股。例如，浆液法聚乙烯生产工艺的排放气主要来自产品闪蒸罐和脱挥装置，而气相法工艺的排放气主要来自脱挥装置。根据工艺和生产牌号的不同，反应气体包含有各种烃类物质（包括单体、共聚单体、冷凝剂、溶剂、反应副产物、烷烃杂质等）、惰性气体和其它小分子等物质。惰性气体一般是氮气和饱和烃。氮气可用于平衡反应器压力或输送催化剂。饱和烃是作为杂质随反应的原料一同进入反应系统。小分子物质一般是氢气，用于调节烯烃聚合物的分子量。例如，在生产乙烯丁烯共聚的线性低密度聚乙烯（LLDPE）工艺中，反应气体含有乙烯（C₂H₄）、丁烯（n-C₄H₈）、乙烷（C₂H₆）、丁烷（n-C₄H₁₀）、氢气（H₂）、异戊烷（i-C₅H₁₂）、氮气（N₂）等物质。从反应器排出的树脂和反应气体一起被输送到树脂脱挥装置，以便脱除树脂中所夹带或溶解的烃类物质。在某些工艺中，氮气用于把固态的树脂从反应系统输送到脱挥装置，例如可见于US4,372,758。

脱挥装置的操作压力远小于反应系统。因此，在树脂进入脱挥装置的瞬间，其所夹带的大部分烃会从树脂中迅速地分离出来。树脂从脱挥装置的上部进入，以密相流自上而下地流动。树脂保持一定料位。为脱除树脂中所溶解的烃，在脱挥装置的中部和下部通入惰性气体，一般是氮气作为吹扫气体。吹扫气体主要用于进一步降低烃的分压。吹扫气体自下而上地流动，在与树脂的相互作用中起到脱除残留烃的作用。树脂脱挥的目的是保证造粒和风送等下游装置运行的安全和聚烯烃产品储存运输的安全，减少产品异味。

从脱挥装置顶部排出的气体称为排放气，它包括在脱挥装置中与树脂分离的所有反应气体以及前述的吹扫气体。显然，排放气中含有大量的烃类物质，如果不进行回收而直接放空或排放火炬系统燃烧，将会造成严重的原料浪费、经济损失以及环境污染。因此，对排放气中的烃类物质进行回收利用具有重大的意义。

排放气中烃类的含量一般较低，不能直接送回反应系统或其他工艺装置进行利用，因此通常需要采用排放气回收装置。该排放气回收装置实质上是烃和吹扫气体的分离装置，其一方面对烃类进行提浓之后将其输送回反应系统或其他工艺装置，另一方面对吹扫气体进行提浓并输送回脱挥装置供循环使用。但是，排放气的低压力以及烃类浓度低的特点给排放气的回收造成了相当的困难。

压缩冷凝法是一种传统的气体分离方法，其流程简单、处理量大，在聚烯烃排放气的回收中已得到广泛的应用。压缩冷凝法回收排放气的流程一般如下所述。首先将排放气输送到低压冷却器中。如果该冷却器的出口温度达到排放气的露点以下，则部分比较重的烃组分冷凝，排放气以气液混合物的形式进入低压冷凝罐，回收冷凝的液体。为进一步回收烃类，对未冷凝的气体由压缩机进行加压以提高排放气露点，然后由高压冷却器和高压冷凝器降温冷凝。气液混合物进入高压凝液罐进行气液分离，分离出的冷凝液与低压冷凝液均可以送回反应系统供进一步利用，而气体则排往火炬。显然，压缩冷凝法可以用于比吹扫气更重的烃类组分（可凝性烃）回收。然而如前所述，排放气中仅含有少量的可凝性烃，因此大量的不凝气被无效地压缩和冷却，从而影响了压缩冷凝方法的经济性。因此，压缩冷凝法主要有以下几个不足之处：1）排放气中可凝性烃类的含量越低，则压缩冷凝法的效率越低；2）难以回收与吹扫气体（氮气）沸点接近的C1～C3的烃类，其回收率一般不大于30%；3）未冷凝的排放气中的吹扫气体的浓度达不到脱挥的要求，因此无法循环利用而只能排放火炬系统。

专利US5,521,264公开了一种利用物理吸收-解析法回收聚烯烃排放气中单体的方法，其工艺流程包括：排放气经过压缩冷凝工艺回收冷凝液，未冷凝的排放气进入吸收塔；在吸收塔中利用吸收剂来吸收排放气中的烃类，得到含氮气和轻组分的塔顶气流，以及含吸收剂和被吸收单体的塔底液流，其中塔顶气流可选地排放到火炬中、用作输送气或者输送到脱气仓，而塔底液流进入解吸塔；以及在解吸塔中将塔底液流中的吸收剂与单体分离，得到含单体的塔顶流股和含吸收剂的塔底流股，其中塔底流股返回吸收塔供循环使用，而反应单体返回反应系统。另外，专利US5,681,908对US5,521,264进行了改进，在其基础上增加了反应副产物的分离过程，以防止反应副产物在系统内累积。尽管吸收-解吸法可在压缩冷凝方法的基础上进一步回收烃类，但其流程复杂，设备数量多，并且大量的吸收剂反复地升温和降温，这需要额外的能耗与公用工程，导致操作费用和投资均显著地增高。

中国专利申请CN200920203363.X公开了一种用于在聚丙烯的生产过程中回收丙烯的工艺。其中，生产过程中排出的尾气经粉尘过滤器、缓冲气柜、压缩机、冷凝器后得到气液混合物，该气液混合物送入气液分离器进行气液分离，所得的不凝气体经过过滤和伴热后进入膜分离器，而丙烯等烃类组分则在膜渗透侧富集，返回压缩机的入口。该申请采用压缩冷凝与膜分离相结合的方法使丙烯的回收率提高到99%。然而，如专利CN87103695所指出的那样，采用膜系统对吹扫气体进行分离不能得到纯度高得足以直接供循环使用的气体。为了解决这一问题，需要将其和其他方法相结合（例如结合专利CN87103695所公开的与变压吸附装置相结合的方法）以进一步提纯气体，或者如该专利申请CN200920203363.X所提出的那样返回压缩机进行重复压缩。这两种方式都会显著地增加投资和能耗。

中国专利CN202485331公开了一种回收膜分离的尾气的方法。该方法是在膜系统回收烃类物质的基础上通过深冷方式进一步回收烃，其特点是利用尾气的压力通过透平膨胀机做功，从而实现冷凝乙烯等轻组分所需要的低温。然而，该方法无法与聚烯烃工艺的脱挥过程以令人满意的方式相结合。例如，该方法所排出的尾气压力较低，不能于进一步回收利用。同时，对于氢气含量较高的情况来说，吹扫气体的循环使用会造成氢气在系统内的积累，从而出现回收效率下降等一系列问题。

由此可见，现有的用于在烯烃聚合物生产中回收排放气的方法和装置虽然各有特色，但均无法同时实现烃的高效回收和吹扫气体的循环使用。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是一种用于在烯烃聚合物生产中回收排放气的系统和方法，其能够以低能耗、低投资的方式回收排放气中的低沸点烃类，同时能够输出可循环使用的吹扫气体。

根据本发明提供了一种用于烯烃聚合工艺的排放物回收系统，包括：脱挥装置，其用于接收来自烯烃聚合工艺的排放物和新鲜吹扫气，并输出第一流体和聚烯烃树脂；包括压缩装置和第一换热装置的压缩冷却单元，其用于接受所述第一流体并输出第一气液混合物；用于对第一气液混合物进行气液分离的第一气液分离装置，其输出第一回收产品和第一气相成分；第一气体分离装置，其用于接收第一气相成分并脱除其中的小分子物质，输出富含小分子气体的成分和富含烃类物质的第二气相成分；以及第二气体分离装置，其包括第二换热装置、第二气液分离装置和第一气体膨胀装置。其中，第二换热装置包括：第一流动通道，用于接收第二气相成分并将其输送到第二气液分离装置；第二流动通道，用于接收来自第二气液分离装置的第三气相成分并将其输送到第一气体膨胀装置；第三流动通道，其接收来自第二气液分离装置的液相成分，并将其作为第二回收产品输出；以及第四流动通道，用于接收来自第一气体膨胀装置的气体且输出第四气相成分，第四气相成分包括能够添加到新鲜吹扫气中的循环吹扫气。

根据一个具体的实施例，第二气体分离装置还包括第二气体膨胀装置，第二换热装置还包括第五流动通道，其中，第四气相成分经由第二气体膨胀装置和第五流动通道之后输出。

根据一个具体的实施例，第二气体分离装置还包括第三换热装置，第三换热装置的第一流动通道接受来自第二气液分离装置的液相成分，并且输出第一输出部分至第二换热装置的第三流动通道，而输出第二输出部分返回到第二气液分离装置。并且，第三换热装置的第二流动通道接收第二气相成分并将其输送至第二换热装置的第一流动通道。

根据一个具体的实施例，第二气体分离装置还包括第三气液分离装置和第四换热装置。其中，第三气液分离装置与第二换热装置的第三流动通道的出口相连，并且输出第三回收产品和第五气相成分；第四换热装置的第一流动通道接受来自第三气液分离装置的第五气相成分，并且输出第三输出部分返回第三气液分离装置，而输出第四输出部分作为第四回收产品；第四换热装置的第二流动通道接收来自第三换热装置的第一流动通道的第一输出部分，并且将其输出给第二换热装置的第三流动通道。

根据一个具体的实施例，第二输出部分相对第一输出部分和第二输出部分之和的比为0～1，优选地为0.3～0.7。在另一个实施例中，第三输出部分相对第三输出部分和第四输出部分之和的比为0～1，优选地为0.3～0.7。

优选地，第一气体分离装置(140)设置成用于脱除第一气相成分中的氢气的膜分离系统。另外，第二气液分离装置优选地为带有底部加热器的分离罐或带有重沸器的分离塔。在一些具体的例子中，第二气液分离装置构造为压力容器、板式塔、填料塔或其组合，并且优选地不含有内构件。

优选地，相邻两个流动通道设置成相互平行且具有相反的流动方向。

根据一个具体的实施例，第一和第二气体膨胀装置为透平膨胀机。

根据本发明的一个具体的应用，第一回收产品包括1-丁烯、正丁烷和异戊烷，第二回收产品为烃类物质，第三回收产品包括1-丁烯、正丁烷和异戊烷，第四回收产品包括乙烯和氮气。

根据本发明的排放气回收系统和方法可适用于任何烯烃聚合工艺产生的排放气。其能够在低能耗、低投资的前提下极大地提高低碳烃的回收率。另外，通过分离小分子物质和提高低碳烃回收率，实现了吹扫气体返回树脂脱挥装置供循环使用。

附图说明

图1示意性显示了根据本发明的用于在烯烃聚合物生产中回收排放气的系统的第一实施例的结构。

图2和3分别显示了图1所示系统中的第二气体分离装置的两种具体形式。

图4和5分别示意性显示了根据本发明的用于在烯烃聚合物生产中回收排放气的系统的第二和第三实施例的结构。

图6显示了图4所示系统中的第二气体分离装置的另一种具体形式。

图7和8分别是实例1和2所使用的系统的结构示意图。

图9和10分别是对比例1和2所使用的排放气回收系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和附图来对本发明作详细说明。需要指出的是，下文中的用语“第一”、“第二”等只是用来对同类装置进行区分，并不意味着有任何顺序或重要性方面的区别。

本发明首次提出了将压缩冷凝技术、膜分离技术和透平膨胀深冷技术相结合在一起，从而不仅能高效率地实现烃类物质的回收，而且能够将尾气作为吹扫气体而供树脂脱挥装置循环使用。本发明主要基于以下思路。首先，发明人发现：如果能够将烃类和吹扫气体的分离度提高到一个较高的水平，则在回收烃类的同时也能够完成吹扫气体的提纯，因而可以简化流程和操作，而不必像中国专利CN102389643A那样需要回收烃、脱除氢气及提纯氮气的三个操作步骤。如CN102171256所指出的那样，吹扫气体中少量轻烃组分的存在并不会（或不会显著地）影响树脂脱挥的效果，关键是控制吹扫气体中重烃的含量。例如，对于某种聚烯烃生产工艺而言，吹扫气体中最多允许有5%（mol）的C2组分，而C4组分应控制为小于0.1%（mol）。发明人发现，只要将本发明系统中的第二气液分离装置的气相出口温度T1控制在某个温度以下，就可以满足上述要求。表1说明了第二气液分离装置的气相出口温度T1与吹扫气体中C2组分及C4组分含量之间的关系。

表1第二气液分离装置气相出口温度T1与吹扫气体中C2组分及C4组分含量的关系

从表1中可以看到，对于一种特定的聚烯烃工艺而言，存在一个特定的温度值，当第二气液分离装置的顶部温度低于此值时，则第二气液分离装置的尾气便可作为吹扫气体供循环使用。由于第二气液分离装置为包含透平膨胀装置的深冷装置，因此可以认为，第二气液分离装置的气相出口温度T1基本上由透平膨胀装置的进出口压差决定，而提高第二气体分离装置的进口压力可以获得足够的压差。然而，提高第二气体分离装置的进口压力将导致本发明系统中的气体压缩装置消耗更多的能量，这显然是不利的。对于普通的深冷回收装置，容易想到，气液分离装置的气相出口温度T1越低，则得到的液体越多，因此回收的烃类也越多。然而，本发明的发明人意外地发现，通过使用根据本发明的结合有压缩冷凝、膜分离和透平膨胀深冷的排放气回收系统，由于吹扫气体可以循环使用，因此在降低第二气液分离装置的气相出口温度T1时，烃的回收率基本上保持不变，参见表2。也就是说，通过使用根据本发明的排放气回收系统，不必降低第二气液分离装置的气相出口温度T1，也能够获得很高的烃回收率。另一方面，如前所述，第二气液分离装置的气相出口温度T1越高，所需要的透平膨胀装置的进出口压差越小，因此，采用根据本发明的系统意味着能耗的降低。

表2烃的回收率与第二气液分离装置的气相出口温度T1的关系

T1(℃)	-100	-110	-120	-130
					烃回收率(wt%)	92.73	92.90	93.02	93.09

根据本发明，第二气体分离装置为深冷分离装置，其同时兼有现有技术中的回收烃装置和吹扫气体提纯装置的功能。如前所述，降低第二气液分离装置气相出口温度T1可以保证吹扫气体的纯度。然而，如果第二气液分离装置气相出口温度T1过低，则会导致第二气液分离装置的液相中的氮气含量过高，而不能满足对第二回收产品中氮气的要求。此要求虽然会随回收产品二的用户的不同而改变，但一般可以用氮气与聚烯烃的聚合单体（如聚乙烯中的乙烯或聚丙烯中的丙烯）的摩尔比X来定义，这一比值一般为10%。显然，采用如中国专利CN202485331的方法不能保证满足这一比值的要求，或者说这一比值不受控。一个解决方案是，第二气液分离装置采用塔底带再沸器的分馏塔。然而，发明人令人吃惊地发现，当本发明系统的第二气液分离装置采用不含内构件的压力容器与第三换热装置结合的方法，即可将上述比值控制在4%左右。因而，根据本发明，可以采用不含内构件的压力容器或采用只有较少分离级数的分馏塔实现上述比值的要求。见表3。

表3比值X与分馏塔分离级数的关系

本发明

CN202485331

分离级数2

分离级数5

分离级数10

比值X/%

4.0

16.6

3.6

3.7

3.8

因此，根据本发明，将压缩冷凝技术、膜分离技术和透平膨胀深冷技术相结合地用于在烯烃聚合物的生产中回收排放气，不仅能够高效率地实现烃类物质的回收，而且能够实现吹扫气体的循环使用。更重要的是，上述回收和循环能够在低能耗的情况下实现，这有效地降低了投资成本和生产成本。

下面将通过具体实施例来对本发明进行详细的描述。

图1示意性显示了根据本发明的用于在烯烃聚合物生产中回收排放气的排放气回收系统100的第一实施例的结构。如图所示，该排放气回收系统100包括顺序连接的脱挥装置110、气体压缩装置120、第一换热装置125和第一气液分离装置130。

来自烯烃聚合物生产的反应系统的排放气102在输送气的携带下进入脱挥装置110，优选从脱挥装置110的上部进入到脱挥装置110中。通常来说，排放气中所含的小分子物质为氢气（H₂），所含的低碳烃主要有甲烷（CH₄）、乙烯（C₂H₄）、乙烷（C₂H₆）、1-丁烯（1-C₄H₈）、正丁烷（n-C₄H₁₀）、异戊烷（C₅H₁₂）等。吹扫气105（例如为氮气）也输送到脱挥装置110中，由此对聚烯烃树脂进行脱挥，用于分离树脂和树脂所夹带、溶解的烃等气体。脱挥后的聚烯烃树脂108优选地从脱挥装置110的底部排出，而所产生的第一流体112从脱挥装置110的顶部排出。例如可采用如CN102171256所公开的树脂脱挥装置。

第一流体112随后进入到气体压缩装置120中进行压缩，之后进入第一换热装置125中进行冷却。气体压缩装置120为普通的气体压缩装置，例如可以采用单级或多级压缩的往复式压缩机或螺杆压缩机。第一换热装置125例如可包括一个或多个串联或并联的冷却器，冷却介质可采用工业装置中常见的循环冷却水和/或冷冻水。第一换热装置125的出口温度与气体压缩装置120的出口压力相匹配，使得排放气中大部分（大于50%）的C3以重的烃组分（丙烯、丙烷、丁烯等）冷凝为液体。这一比例可由本领域的技术人员根据压缩冷凝过程的经济性而定。

离开第一换热装置125的第一气液混合物128输送到第一气液分离装置130中进行气液分离。第一气液分离装置130可以为普通的气液分离罐，其输出液相作为第一回收成分131（其主要成分为1-丁烯、正丁烷、异戊烷等）供回收利用，并且输出第一气相成分132。关于这一部分例如可参考美国专利US4,372,758。

容易理解，上述各装置的具体结构及操作工艺均为本领域的技术人员所熟知的，因此为节约篇幅起见在此略去对其的详细描述。

根据本发明，系统100还包括设置在第一气液分离装置130下游的分离单元135。如图1所示，分离单元135主要包括第一气体分离装置140和第二气体分离装置150。以下分别对这两个装置进行介绍。

第一气体分离装置140与第一气液分离装置130相连，用于接受来自第一气液分离装置130的未冷凝的气体，即上述第一气相成分132。根据本发明，该第一气体分离装置140采用膜系统以脱除小分子物质，例如氢气。根据一个实施例，第一气体分离装置140为用于分离氢气的膜系统，该膜系统例如可以包括一个或多个串联或并联或串并联的膜装置。

根据本发明，第一气体分离装置140可以使用任何一种对氢气渗透速率高、对氮气及乙烯等烃类渗透速率低的膜。因此，所选用的膜材料除了对氢气有较高的选择性以外，还应与要分离的气体具有良好的相容性，有较高的结构强度以便能经受住高的膜压差，以及并且对一定的分离参数有足够高的通量等。此类膜可以由维生素衍生物、聚砜、聚酰胺、聚芳酰胺、聚亚酰胺等聚合物材料制成，也可以由陶瓷、玻璃、金属等材料制成。在一个具体实施例中，第一气体分离装置140所使用的膜包括如EP219878和US5,085,774所公开的膜，优选是选自多孔微孔无机陶瓷膜、空心纤维膜、金属材料膜和吸附扩散膜中的一种或多种膜。

第一气体分离装置140包括两个出口，其中一个出口设置为膜系统的富集氢气的渗透侧，其通向火炬系统，作为尾气排出通路141。另一出口设置为仍然基本维持进口压力的渗余侧，用于输出第二气相成分142给第二气体分离装置150。

第二气体分离装置150设置在第一气体分离装置140的下游，用于接受来自第一气体分离装置140的第二气相成分142。根据本发明，第二气体分离装置构造成深冷分离式装置，包括至少一个气体膨胀装置。气体膨胀装置能够对进入气体进行节流膨胀且对外做功，从而冷却到乙烯能够冷凝的温度，一般在-80℃以下。该气体膨胀装置例如可采用在液化天然气等行业普遍采用的同类设备。第二气体分离装置还包括至少一个换热装置，其主要用于内部物流的换热，以充分利用能量。在一个优选实施例中，气体膨胀装置为透平膨胀机，其出口压力按脱挥装置的吹扫气体所需要的压力设置。当气体膨胀装置提供的冷量不足以满足回收乙烯等轻组分量的要求时，可从外部补充适当的冷剂进行换热。然而也可以优选地适当提高气体压缩装置的出口压力，使内部的能量恰好平衡。

图2显示了如图1所示的排放气回收系统100中的第二气体分离装置150的一个具体形式。如图所示，第二气体分离装置150包括第二换热装置160，其可采用板翅式换热器的形式。根据需要，也可以采用一个或多个板翅式换热器相互串联或并联的布置。在该实施例中，第二换热装置160构造成具有四个内部流动通道161-164。第一流动通道161利用其第一入口接收来自第一气体分离装置140的第二气相成分142，并利用该第一出口将其输送至第二气液分离装置170。第二气液分离装置170将第三气相成分172输送至第二流动通道162的第二入口并进入第二流动通道162，同时将液相成分173输送至第三流动通道163的第三入口并进入第三流动通道163。第三流动通道163将换热后的气液混相成分由第三出口输出，作为第二回收产品174（其主要为烃类物质）。第三气相成分172经第二流动通道162换热后从第二流动通道162的第二出口输出到第一气体膨胀装置180中，由第一气体膨胀装置180节流膨胀且对外做功，从而达到所需要的低温。之后，经第一气体膨胀装置180处理后的第三气相成分172进入第四流动通道164的第四入口，并经其第四出口输出。

根据本发明，在第二换热装置160中，四个流动通道161至164均设置成彼此相邻的两个流动通道内的流动方向相反，以便更有效地进行热交换。

第二气液分离装置170例如可为压力容器、板式塔、填料塔或其组合。优选地，第二气液分离装置170为不含内构件的压力容器、板式塔、填料塔或其组合，尤其是不含内构件的压力容器。

从分离单元135中输出的第三气相成分172可分成两路。其中一路作为尾气176通向火炬系统进行处理。另一路由于处于适当的压力下，能够作为吹扫气175而输送到吹扫气105中，从而共同地用于脱挥装置110。

因此，根据本发明的排放气回收系统100能够有效地回收烃类，同时能够循环利用吹扫气体，从而显著地提高了效率，并且降低了能耗。

图3显示了根据图1所示系统100的第二气体分离装置150A的另一个具体形式。第二气体分离装置150A与第二气体分离装置150的不同之处在于，除第一气体膨胀装置180A之外，还提供了第二气体膨胀装置185A。由此，可以解决单个透平膨胀机的膨胀比的限制（一般要求5倍以下）。容易理解，在这种情况下，第二换热装置160A还包括第五流动通道165A，其接受来自第二气体膨胀装置185A所输出的气体，并输出尾气176和吹扫气175。

图4显示了根据本发明的第二实施例的用于在烯烃聚合物的生产中回收排放气的系统200。该系统200与图1所示的系统100不同之处在于，第二气体分离装置250除了包括第二换热装置260以外，还包括第三换热装置290。该第三换热装置290包括两个内部流动通道291和292。其中，来自第一气体分离装置240的第二气体成分242首先进入第三换热装置290的第二流动通道292，经换热后再进入第二换热装置260的第一流动通道261。另外，第二气液分离装置270输出的液相273进入到第三换热装置290的第一流动通道291中，经换热后，从第三换热装置290的第一流动通道291中输出的全部液体中的第一输出部分进入第二换热装置260的第三流动通道263，并且经换热后作为第二回收产品274，而第二输出部分返回到第二气液分离装置270。

通过设置第三换热装置290，排放气回收系统200能够更有效地利用整个系统中的冷量，进一步实现了能耗的降低和效率的提高。

尤其是，通过使从第三换热装置290的第一流动通道291中输出的全部液体分成两部分，一部分返回到第二气液分离装置270中而另一部分进入第二换热装置160的第三流动通道263作为第二回收产品274输出，能够更有效地降低第二回收产品中氮气与聚烯烃的聚合单体的摩尔比。在一个实施例中，第三换热装置290的第一流动通道291的第一出口中的返回第二气液分离装置270的第二输出部分的流量与第一流动通道291的第一出口的总流量之比设定为0～1，优选地为0.3～0.7。

图5显示了根据本发明的第三实施例的用于在烯烃聚合物的生产中回收排放气的系统300。该系统300与图4所示的系统200不同之处在于，第二气体分离装置350除了包括第二换热装置360和第三换热装置390以外，还包括第四换热装置395。如图5所示，该第四换热装置395包括两个内部流动通道396和397。

在该实施例中，来自第一气体分离装置340的第二气体成分342首先进入第三换热装置390的第二流动通道392，然后进入第二换热装置360的第一流动通道361。另外，第二气液分离装置370输出的液相373进入到第三换热装置390的第一流动通道391中，经换热后，一部分返回到第二气液分离装置370，另一部分此时进入到第四换热装置395的第二流动通道397，并经换热后进入到第二换热装置360的第三流动通道363。之后，在第二换热装置360的第三流动通道363中形成的气液混相成分从第三出口输出，进入第三气液分离装置377。第三气液分离装置377可采用如上所述的类似的分离装置。

在第三气液分离装置377中经过气液分离后，所输出的液相成分作为第三回收产品378（主要是1-丁烯、正丁烷、异戊烷等）回收。所输出的气相成分379进入第四换热装置的第一流动通道，在换热后输出第三输出部分至第三气液分离装置377，并且输出第四输出部分作为第四回收成分379（主要是乙烯、氮气等）回收。优选地，返回至第三气液分离装置377的第三输出部分与第四换热装置的第一流动通道的总输出量之比设定为0～1，优选地为0.3～0.7。

根据图5所示的第三实施例，本发明的排放气回收系统300能够有效地回收整个系统中的冷量，充分地回收多种产品，最大限度地利用了排放气。

图6显示了根据图4所示的排放气回收系统200的第二气体分离装置250A。在该图示例子中，第二气体分离装置250A与图3所示的第二气体分离装置150A类似地包括第二气体膨胀装置285A。由此得到了如同与图3所示的第二气体分离装置150A类似的优点。

下面通过实例和对比例来进一步说明根据本发明的排放气回收系统。

实例1

采用如图7所示的排放气回收装置对某年产40万吨聚乙烯树脂的气相法聚乙烯装置的排放气进行处理，回收排放气中低碳烃等物质。所述的排放气回收装置包括：脱挥装置A、气体压缩装置B、第一换热装置C、第一气液分离装置D、第一气体分离装置E、第二换热装置F、第二气液分离装置G、第三换热装置H、气体膨胀装置I。其中，第一气体分离装置选用膜系统来分离排放气中的氢气；第二气体分离装置由第二换热装置F、第二气液分离装置G、第三换热装置H、气体膨胀装置I组成。气体膨胀装置I为透平膨胀机。

具体的工艺流程如下所述。首先，来自反应系统的聚烯烃树脂2在输送气的携带下进入脱挥装置A。在脱挥装置A中使用氮气（N₂）作为吹扫气对聚乙烯树脂进行脱挥，排放气中所含的小分子物质为氢气（H₂），所含的低碳烃主要有甲烷（CH₄）、乙烯（C₂H₄）、乙烷（C₂H₆）、1-丁烯（1-C₄H₈）、正丁烷（n-C₄H₁₀）、异戊烷（C₅H₁₂）等。脱挥后的聚烯烃树脂3从脱挥装置A的底部排出，产生的排放气4从脱挥装置A的顶部排出。排放气4经气体压缩装置B压缩和第一换热装置C冷却，所形成的气液混合物6在第一气液分离装置D中进行气液分离。气液分离装置D出来的液相7回收利用，气相8进入第一气体分离装置E以脱除小分子物质，例如氢气。第一气体分离装置出来的富含小分子物质的气体9排往火炬系统，而富含烃类物质的气体10则进入第三换热装置H换热后再进入第二换热装置F的第一进口。第二换热装置F的第一出口出来的气液混合物12在第二气液分离装置G中进行气液分离，液相组分13进入第三换热装置H换热后分作两股，一股14回流至第二气液分离装置G，另一股15进入第二换热装置F的第三进口以回收冷量。从第二换热装置F的第三出口出来作为气液混相产品16回收利用。第二气液分离装置G出来的气相组分17进入第二换热装置F的第二进口以回收冷量，从第二换热装置F的第二出口出来的气体18进入气体膨胀装置I，从气体膨胀装置I出来的气体19进入第二换热装置F的第四进口以回收冷量。从第二换热装置F的第四出口出来的气体20分作两股，一股21排火炬，另一股22与新鲜吹扫气1混合后进入脱挥装置A。其中，第二气液分离装置G选择为塔底带再沸器的空塔。

排放气回收装置的物料平衡数据如表4所示。由表4所列的物料平衡数据计算得到第一气体分离装置（膜分离系统）对氢气的脱除率为58%，并且排放气回收装置对各烃类组分的回收率为：乙烯91.64%、异戊烷96.42%、1-丁烯95.81%，回用气中氮气的摩尔分率为94.7%，氮气的回收率为87.19%。计算结果表明，本发明所提供的排放气回收装置不仅具有很高的小分子物质（氢气）脱除率和低碳烃回收率，而且实现了吹扫气体返回树脂脱挥装置循环使用，效果显著。

表4实施例1的物料平衡表

实例2

采用如图8所示的排放气回收装置对某年产40万吨聚乙烯树脂的气相法聚乙烯装置的排放气进行处理，回收排放气中低碳烃等物质。所述的排放气回收装置包括：脱挥装置A、气体压缩装置B、第一换热装置C、第一气液分离装置D、第一气体分离装置E、第二换热装置F、第二气液分离装置G、第三换热装置H、第三气液分离装置I、第四换热装置J、气体膨胀装置K。其中，第一气体分离装置选用膜系统来分离排放气中的氢气；第二气体分离装置由第二换热装置F、第二气液分离装置G、第三换热装置H、第三气液分离装置I、第四换热装置J、气体膨胀装置K组成。气体膨胀装置K为透平膨胀机。

具体的工艺流程如下所述。来自反应系统的聚烯烃树脂2在输送气的携带下进入脱挥装置A。在脱挥装置A中使用氮气（N₂）作为吹扫气对聚乙烯树脂进行脱挥。排放气中所含的小分子物质为氢气（H₂），所含的低碳烃主要有甲烷（CH₄）、乙烯（C₂H₄）、乙烷（C₂H₆）、1-丁烯（1-C₄H₈）、正丁烷（n-C₄H₁₀）、异戊烷（C₅H₁₂）等。脱挥后的聚烯烃树脂3从脱挥装置A的底部排出，产生的排放气4从脱挥装置A的顶部排出。排放气4经气体压缩装置B压缩和第一换热装置C冷却，所形成的气液混合物6在第一气液分离装置D中进行气液分离。气液分离装置D出来的液相7回收利用，气相8进入第一气体分离装置E以脱除小分子物质，例如氢气。第一气体分离装置出来的富含小分子物质的气体9排往火炬系统，富含烃类物质的气体10则进入第三换热装置H换热后再进入第二换热装置F的第一进口。第二换热装置F的第一出口出来的气液混合物12在第二气液分离装置G中进行气液分离，液相组分13进入第三换热装置H换热后分作两股，一股14回流至第二气液分离装置G，另一股15进入第四换热装置J换热后再进入第二换热装置F的第三进口以回收冷量。第二换热装置F的第三出口出来的气液混合物17进入第三气液分离装置I。第三气液分离装置I出来的液相17作为回收产品，气相19进入第四换热装置J换热后分作两股，一股20回流至第三气液分离装置I，另一股21作为回收产品。第二气液分离装置G出来的气相组分22进入第二换热装置F的第二进口以回收冷量，从第二换热装置F的第二出口出来的气体23进入气体膨胀装置K，从气体膨胀装置K出来的气体24进入第二换热装置F的第四进口以回收冷量。从第二换热装置F的第四出口出来的气体25分作两股，一股26排火炬，另一股27与新鲜吹扫气1混合后进入脱挥装置A。其中，第二气液分离装置G为塔底带再沸器的空塔。

实例2与实施1的模拟对象和模拟条件完全一致，它们的区别在于：气液混合产物16经过带冷凝器的气液分离罐分离为一股富乙烷的气相21和富C4的液相18，21回收至乙烷裂解装置，液相18与液相7混合后回收至乙烯聚合装置，冷凝器的作用在于增加C4的分离效率，使C4更多的存在于液相18中。定义分离系数K=液相产物18中C4摩尔百分含量/气相产物21中C4摩尔百分含量。模拟发现，无冷凝器时K丁烯=10.57、K正丁烷=10.09；有冷凝器时K丁烯=31.85，K正丁烷=24.52。模拟结果表明，冷凝器可以显著提高C4的分离效率。

对比例1

采用如图9所示的排放气回收装置对某年产40万吨聚乙烯树脂的气相法聚乙烯装置的排放气进行处理，回收排放气中低碳烃等物质。所述的排放气回收装置包括：脱挥装置A、气体压缩装置B、第一换热装置C、第一气液分离装置D、第二换热装置E、第二气液分离装置F、气体膨胀装置G。其中，气体分离装置由第二换热装置E、第二气液分离装置F、气体膨胀装置G组成。与实施例1相比，对比例2没有使用膜系统作为第一气体分离装置，且只使用一个透平膨胀机作为气体膨胀装置。

具体的工艺流程如下所述。来自反应系统的聚烯烃树脂2在输送气的携带下进入脱挥装置A，脱挥后的聚烯烃树脂3从脱挥装置底部排出。产生的排放气4从脱挥装置顶部排出；排放气4经气体压缩装置B压缩和第一换热装置C冷却，所形成的气液混合物6在第一气液分离装置D中进行气液分离。气液分离装置D出来的液相7回收利用，气相8进入第二换热装置E的第一进口。第二换热装置F的第一出口出来的气液混合物9在第二气液分离装置F中进行气液分离，液相组分10进入第二换热装置E的第三进口以回收冷量，从第二换热装置E的第三出口出来作为气液混相产品11回收利用。气相组分12进入第二换热装置E的第二进口以回收冷量，从第二换热装置E的第二出口出来的气体13进入气体膨胀装置G。从气体膨胀装置G出来的气体14进入第二换热装置E的第四进口以回收冷量。从第二换热装置E的第四出口出来的气体15分作两股，第一股16排火炬，第二股17与新鲜吹扫气1混合后进入脱挥装置A。

对比例2与实施例1的模拟对象和模拟条件完全一致，它们的区别在于：对比例2不使用气体膜分离装置。模拟计算得到的排放气回收装置对各烃类组分的回收率为：乙烯96.65%、异戊烷99.99%、1-丁烯99.99%，回用气中氮气的摩尔分率为92.67%，氮气的回收率为70.35%。

对比例2

采用如图10所示的排放气回收装置对某年产40万吨聚乙烯树脂的气相法聚乙烯装置的排放气进行处理，回收排放气中低碳烃等物质。所述的排放气回收装置包括：脱挥装置A、气体压缩装置B、换热装置C、气液分离装置D、第一气体分离装置E、第二气体分离装置F、第三气体分离装置G。其中，三个气体分离装置均为膜分离装置。

具体的工艺流程如下所述。来自反应系统的聚烯烃树脂2在输送气的携带下进入脱挥装置A，脱挥后的聚烯烃树脂3从脱挥装置底部排出，产生的排放气4从脱挥装置顶部排出。排放气4经气体压缩装置B压缩和换热装置C冷却，所形成的气液混合物6在气液分离装置D中进行气液分离。气液分离装置D出来的液相7回收利用，气相8进入第一气体分离装置E。第一气体分离装置E出来的气体9返回压缩机B入口，另一股气体10进入第二气体分离装置F。第二气体分离装置F出来的气体11排火炬，另一股气体12进入第三气体分离装置G。第三气体分离装置出来的气体13返回压缩机B入口，另一股气体14与新鲜吹扫气1混合后进入脱挥装置A。

对比例3与实施例1的模拟对象和模拟条件完全一致，它们的区别在于：对比例3使用三级气体膜分离装置，没有使用带透平膨胀机的深冷分离装置。模拟计算得到的排放气回收装置对各烃类组分的回收率为：乙烯96.76%、异戊烷98.21%、1-丁烯98.04%，回用气中氮气的摩尔分率为96.83%，氮气的回收率为81.87%。

表5列出了2个实例和2个对比例中的烃回收率、氮气回收率和回收氮气的纯度。由表5可知，与对比例1相比，本发明所提供的方案在保持较高的烃回收率的同时，还提高了氮气纯度和回收率。与对比例2相比，本发明所提供的方案氮气回收率更高，并且对比例2需要更高的压缩机出口压力（约2.5MPa）才能保证膜的分离效率，这远高于本发明所需要的压力（约1.6MPa），其设备投资和能耗更大。

表5四种排放气回收方案的回收效率对比

	烃回收率/%	氮气回收率/%	回用氮气纯度mol%
				实例1	97.38	87.36	94.52
实例2	97.38	87.36	94.52
				对比例1	97.78	70.35	92.67
对比例2	96.89	81.87	96.83

因此，上述实例表明，根据本发明的排放气回收系统能够实现较高的烃回收率和氮气回收率，同时设备的能耗和投资成本均能显著地降低。

虽然已经参考上述实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims

1.一种用于烯烃聚合工艺的排放物回收系统，包括：

脱挥装置(110)，其用于接收来自烯烃聚合工艺的排放物(102)和新鲜吹扫气(105)，并输出第一流体(112)和聚烯烃树脂(108)；

包括压缩装置(120)和第一换热装置(125)的压缩冷却单元，其用于接受所述第一流体并输出第一气液混合物(128)；

用于对第一气液混合物进行气液分离的第一气液分离装置(130)，其输出第一回收产品(131)和第一气相成分(132)；

第一气体分离装置(140)，其用于接收第一气相成分并脱除其中的小分子物质，输出富含小分子气体的成分(141)和富含烃类物质的第二气相成分(142)，

第二气体分离装置(150)，其包括第二换热装置(160)、第二气液分离装置(170)和第一气体膨胀装置(180)，其中所述第二换热装置(160)包括：第一流动通道(161)，用于接收第二气相成分(142)并将其输送到第二气液分离装置(170)；第二流动通道(162)，用于接收来自第二气液分离装置(170)的第三气相成分(172)并将其输送到第一气体膨胀装置(180)；第三流动通道(163)，其接收来自第二气液分离装置(170)的液相成分(173)，并将其作为第二回收产品(174)输出；以及第四流动通道(164)，用于接收来自第一气体膨胀装置(180)的气体且输出第四气相成分，所述第四气相成分包括能够添加到所述新鲜吹扫气(105)中的循环吹扫气(175)。

2.根据权利要求1所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第二气体分离装置(150)还包括第二气体膨胀装置(185)，所述第二换热装置(160)还包括第五流动通道(165)，其中所述第四气相成分经由所述第二气体膨胀装置(185)和所述第五流动通道(165)之后输出。

3.根据权利要求1所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第二气体分离装置(250)还包括第三换热装置(290)，所述第三换热装置(290)的第一流动通道(291)接受来自第二气液分离装置(270)的液相成分(273)，并且输出第一输出部分至所述第二换热装置(260)的第三流动通道(263)，而输出第二输出部分返回到第二气液分离装置(270)；

所述第三换热装置(290)的第二流动通道接收第二气相成分(242)并将其输送至所述第二换热装置(260)的第一流动通道(261)。

4.根据权利要求3所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第二气体分离装置(350)还包括第三气液分离装置(377)和第四换热装置(395)，

其中，所述第三气液分离装置(377)与所述第二换热装置(360)的第三流动通道(363)的出口相连，并且输出所述第三回收产品(378)和第五气相成分；

所述第四换热装置(395)的第一流动通道(396)接受来自所述第三气液分离装置(377)的第五气相成分，并且输出第三输出部分返回所述第三气液分离装置(377)，而输出第四输出部分作为第四回收产品(379)；

所述第四换热装置(395)的第二流动通道(397)接收来自所述第三换热装置(390)的第一流动通道(391)的第一输出部分，并且将其输出给所述第二换热装置(360)的第三流动通道(363)。

5.根据权利要求3所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第二输出部分相对所述第一输出部分和第二输出部分之和的比为0～1。

6.根据权利要求5所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第二输出部分相对所述第一输出部分和第二输出部分之和的比为0.3～0.7。

7.根据权利要求4所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第三输出部分相对所述第三输出部分和第四输出部分之和的比为0～1。

8.根据权利要求7所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第三输出部分相对所述第三输出部分和第四输出部分之和的比为0.3～0.7。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第一气体分离装置(140)设置成用于脱除所述第一气相成分中的氢气的膜分离系统。

10.根据权利要求1～8中任一项所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第二气液分离装置为带有底部加热器的分离罐或带有重沸器的分离塔。

11.根据权利要求1～8中任一项所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第二气液分离装置构造为压力容器、板式塔、填料塔或其组合。

12.根据权利要求11所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第二气液分离装置构造为压力容器、板式塔、填料塔或其组合，并且不含有内构件。

13.根据权利要求1～8中任一项所述的排放物回收系统，其特征在于，相邻两个流动通道设置成相互平行且具有相反的流动方向。

14.根据权利要求1～8中任一项所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第一气体膨胀装置为透平膨胀机。

15.根据权利要求2～8中任一项所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第二气体膨胀装置为透平膨胀机。

16.根据权利要求1～8中任一项所述的排放物回收系统，其特征在于，所述第一回收产品包括1-丁烯、正丁烷和异戊烷，第二回收产品为烃类物质，第三回收产品包括1-丁烯、正丁烷和异戊烷，第四回收产品包括乙烯和氮气。