CN104028076A - 低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法，包括如下步骤：步骤1.一段膜分离；步骤2.二段膜分离；步骤3.一级变压吸附；步骤4.二级变压吸附。及一种低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收装置。本发明还公开一种低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收装置。本发明采用变压吸附、膜分离二者结合的技术，弥补了两种工艺各自存在的纯度和回收率低的缺陷，实现了对炼厂干气中氢气和富碳二组分高收率，高纯度的回收。
Description
技术领域
本发明属于化工机械领域，涉及一种低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收的方法及装置。
背景技术
炼厂干气中的有用组分主要为氢气、轻烯烃和轻烷烃等。这些组分在炼厂干气中都是很有价值的，但目前它们很大量仍然没有实现最优化利用，而是直接用作了燃料，有的甚至直接点火炬放空。炼厂干气中既含有氢气，还含有大量轻烯烃和轻烷烃。这些组分可以分离出来分别利用，比将其直接用作燃料或重整制氢、合成甲醇的原料效益要高。
从炼厂干气中回收氢气、轻烯烃和轻烷烃的技术主要有深冷分离法、中冷和浅冷油吸收法、膜分离法、吸附分离法，以及联合工艺等。
吸附分离法是利用吸附剂对混合气体中各组分的吸附选择性不同，通过压力或温度改变来实现吸附与再生的一种分离方法，具有再生速度快、能耗低、操作简单、工艺成熟稳定等特点。通过压力变化实现分离的变压吸附回收干气中氢气工艺相对成熟，可获得纯度为98%（体积比）以上的氢气产品，但氢气回收率一般在80-85%左右。采用现有的变压吸附分离技术要从含低浓度氢气、乙烯等炼厂干气中同时回收高纯度的氢气、乙烯及乙烷，存在收率低、不能实现炼厂干气主要组分完全清晰分离、投资占地巨大等问题。
膜分离法是在一定压力下，利用其他各组分在膜中渗透速率的差异进行分离的。膜分离法回收FCC干气中氢气的装置于1987年在美国庞卡城建成，氢气回收率为80-90%。膜分离法尤其适用于带压、氢气含量低的干气中氢气回收，其优点在于占地小、操作简单、能耗低等。但膜分离回收氢气的纯度不高，一般为95%。直接采用膜分离回收乙烯等碳二及以上组分方面，收率更低，操作成本高。
冷油吸收法主要是利用吸收剂对干气中各组分溶解度的不同来实现分离。一般是利用C3、C4和芳烃等油品作吸收剂，首先脱除甲烷和氢气等不凝气体组份，再通过解吸方法把吸收剂回收循环至吸收塔中，富集的C2、C3组份通过精馏方法分离得到乙烯乙烷等组份。一般操作温度为5℃至-50℃，乙烯纯度可达95%以上。加入膨胀机技术，乙烯回收率和纯度均可达到99%。此外，冷油吸收法的能耗要低于深冷分离法，工艺相对成熟，乙烯纯度和收率都比较高，投资省，操作简单等。但冷油吸收方法仅适合精制C2及C3组份，没有办法同时分离精制氢气、甲烷等。
深冷分离技术早在上世纪50年代就有发展了，目前该技术比较成熟。它是利用原料中各组分相对挥发度的差异（沸点差），通过气体透平膨胀制冷，在低温下将干气中各组分按工艺要求冷凝下来，不易冷凝的氢气最先得到，氢气回收率为92-95%，纯度为95-98%。其后用精馏法将其中的各类烃逐一分离，乙烯收率一般超过85%。深冷分离具有可同时回收氢气及乙烯乙烷、工艺成熟、回收率相对较高等优点，一般适合处理大量干气的场合，尤其适合于炼厂集中地区。深冷分离缺点在于产品纯度不高、投资大、能耗高、不适合中小规模的炼厂干气回收等。
发明内容
为克服现有技术存在的回收率低或回收纯度低，经济效益差的技术缺陷，本发明公开一种低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法及装置。
本发明所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法，包括如下步骤：
步骤1.一段膜分离：原料气进入第一膜分离装置，非渗透气进入步骤2，渗透气进
入步骤3；
步骤2.二段膜分离：步骤1中第一膜分离装置的非渗透气进入第二膜分离装置，第
二膜分离装置的渗透气进入步骤4，非渗透气作为原料气返回步骤1；
步骤3.一级变压吸附：步骤1中的非渗透气进入第一变压吸附塔，第一变压吸附塔
的解吸气输出作为产品富碳二组分，非解吸气进入步骤4；
步骤4.二级变压吸附：步骤2中的渗透气和步骤3中的非解吸气进入第二变压吸附
塔，第二变压吸附塔的解吸气作为燃烧气排出，非解吸气输出作为产品氢气。
优选的，所述步骤1中第一膜分离装置的膜可选择性透过碳二至碳五组分，所述步
骤2中的第二膜分离装置的膜可选择性透过氢气。
优选的，所述步骤3和步骤4中的一级变压吸附与二级变压吸附装置可在低压下进行。
优选的，所述步骤1中原料气进入第一膜分离装置前还包括加压步骤。
优选的，所述步骤1中将原料气加压至2-4兆帕。
具体的，所述步骤1至4中操作温度均为常温。
本发明所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收装置，包括第一膜分离装置、第二膜分离装置、第一变压吸附塔、第二变压吸附塔和加压装置；
所述第一膜分离装置的渗透侧与第一变压吸附塔的进口连接，非渗透侧与第二膜分离装置的进口连接；所述第二膜分离装置的渗透侧与第二变压吸附塔的进口连接，非渗透侧与第一膜分离装置的进口或与加压装置的进口连接；所述第一变压吸附塔的塔顶非解吸气出口与第二变压吸附塔的进口连接，塔底解吸气出口作为产品富碳二组分输出；所述第二变压吸附塔的塔顶非解吸气出口作为产品氢气出口与氢气管网连接或直接输入产品氢气罐，塔底解吸气出口作为燃烧气出口与燃烧气管网连接。
优选的，所述第二膜分离装置的非渗透侧与加压装置的进口连接。
优选的，所述第一膜分离装置的进口还连接有加压装置。
采用本发明所述的低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收及装置，采用变压吸附、膜分离二者结合的技术，弥补了两种工艺各自存在的纯度和回收率低的缺陷，实现了对炼厂干气中氢气和富碳二组分高收率，高纯度的回收。
附图说明
图1示出本发明所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法的一种具体实施方式示意图；
图2示出本发明所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收装置的一种具体实施方式示意图；
各图中附图标记名称为：1-加压装置 2-第一膜分离装置 3-第二膜分离装置 4-第一变压吸附塔 5-第二变压吸附塔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法，包括如下步骤：
步骤1.一段膜分离：原料气进入第一膜分离装置，非渗透气进入步骤2，渗透气进
入步骤3；
步骤2.二段膜分离：步骤1中第一膜分离装置的非渗透气进入第二膜分离装置，第
二膜分离装置的渗透气进入步骤4，非渗透气作为原料气返回步骤1；
步骤3.一级变压吸附：步骤1中的非渗透气进入第一变压吸附塔，第一变压吸附塔
的解吸气输出作为产品富碳二组分，非解吸气进入步骤4；
步骤4.二级变压吸附：步骤2中的渗透气和步骤3中的非解吸气进入第二变压吸附
塔，第二变压吸附塔的解吸气作为燃烧气排出，非解吸气输出作为产品氢气。
炼厂干气中的有用组分主要为氢气、甲烷、氮气及乙烯、乙烷等轻烯烃和轻烷烃，将带压原料炼厂干气先进入一段膜分离装置，作为原料的炼厂干气气压应大于2兆帕，如果原料气气压过低，可能导致膜分离效果变差，此时可以在原料气进入第一膜分离装置前，预先加压以满足要求。第一膜分离装置优选为选择性透过C2-C5的高分子纤维膜，氢气、甲烷、N2等不凝气体从第一膜分离装置的非渗透气侧进第二膜分离装置，第二膜分离装置的膜组件为选择性透过氢气的膜，例如可以是聚酯、聚亚酰胺膜等。
分离出氢气、甲烷和氮气等的原料气剩余气体从第一膜分离装置的渗透侧透过，主要是被浓缩的富含C2及C2以上组分的气体，所谓C2及C2以上是指分子式中含两个或两个以上碳原子的气体，例如乙烯、乙烷、丙烷等。富含C2及C2以上气体进入第一变压吸附塔；第一变压吸附塔对其中的乙烯等C2及C2以上组分进一步吸附再生，吸附压力为0.1-2兆帕，第一变压吸附塔的解吸气即为富碳二组分，而第一变压吸附塔的非解吸气中含有氢气等成分，送入第二变压吸附塔进一步精制。第二变压吸附塔在吸附压力为0.1-2兆帕下进行变压吸附后，非解吸气成分主要为氢气，从塔顶排出得到氢气产品。第二变压吸附塔的解吸气直接作为燃烧气送入燃烧气管网。
在第二膜分离装置中，渗透侧透过的富氢气送入第二变压吸附塔进行氢气精制；第二膜分离装置的非渗透侧气体主要是氮气和轻烯烃，可以作为原料气进入循环，提高氢气和碳二及以上组分的收率。
本发明采用两段膜分离+二段变压吸附的组合方式，对炼厂干气中的氢气和富碳二组分进行回收，利用膜分离与变压吸附的组合方式，进行多次提纯和循环提氢、富集碳二组分方式，提高了氢气和富碳二组分的收率及纯度。
原料气进入第一膜分离装置之前进行加压的加压范围可以选择在2至4兆帕，对后续膜分离渗透效果较好。由于整个循环过程中，无论膜分离还是变压吸附对温度都无苛刻要求，可以在常温下进行，无须加热或制冷，节约了能源和设备。
为实现上述方法，本发明提供一种低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收装置，包括第一膜分离装置、第二膜分离装置、第一变压吸附塔、第二变压吸附塔和第一加压装置；
所述第一膜分离装置的渗透侧与第一变压吸附塔的进口连接，非渗透侧与第二膜分离装置的进口连接；所述第二膜分离装置的渗透侧与第二变压吸附塔的进口连接，非渗透侧与第一膜分离装置的进口或与加压装置的进口连接；所述第一变压吸附塔的塔顶非解吸气出口与第二变压吸附塔的进口连接，塔底解吸气出口作为产品富碳二组分输出；所述第二变压吸附塔的塔顶非解吸气出口作为产品氢气出口与氢气管网连接或直接输入产品氢气罐，塔底解吸气出口作为燃烧气出口与燃烧气管网连接。
优选的，所述第二膜分离装置的非渗透侧与加压装置的进口连接。
优选的，所述第一膜分离装置的进口还连接有加压装置。
以下给出本发明的若干具体实施例：
实施例1. 氢气含量18.5%、乙烷含量14.5%、乙烯含量16%、甲烷含量30%、氮气含量14.5%、碳二以上组分含量3.5%、酸性气体含量3%的炼厂干气（体积比）经压缩步骤后，压力提高到2.5兆帕送入如图2所示的装置中，其中第一膜分离装置采用选择性透过C2-C5组分的高分子纤维膜组件，操作温度40摄氏度；第一变压吸附塔吸附压力1.0兆帕，操作温度25摄氏度；第二变压吸附塔为吸附压力0.9兆帕，操作温度35摄氏度；第二膜分离装置采用选择性透过氢的聚酯膜组件，进料气压力2.4兆帕，操作温度40摄氏度，非渗透气与原料气混合再次进入加压装置后进入第一膜分离装置进行循环分离。
测量得出对氢气的回收率为90%，回收氢气纯度为99%，对富碳二组分的回收率为92%，碳二组分含量为95%。
实施例2. 氢气含量46.5%、乙烷含量12.4%、乙烯含量6.0%、甲烷含量20%、氮气含量9.5%、碳二以上组分含量2.2%、酸性气体含量3.2%的炼厂干气（体积比）经压缩后，压力提高到3.0兆帕送入如图2所示的装置中，其中第一膜分离装置采用选择性透过C2-C5组分的高分子纤维膜组件，操作温度40摄氏度；第一变压吸附塔吸附压力0.9兆帕，操作温度25摄氏度；第二变压吸附塔为吸附压力0.8兆帕，操作温度35摄氏度；第二膜分离装置采用选择性透过氢的聚酯膜组件，进料气压力2.9兆帕，操作温度40摄氏度，非渗透气与原料气混合再次进入加压装置后进入第一膜分离装置进行循环分离。
测量得出对氢气的回收率为95%，回收氢气纯度为99%，对富碳二组分的回收率为90%，碳二组分含量为94%。
实施例3. 氢气含量18.5%、乙烷含量14.5%、乙烯含量16%、甲烷含量30%、氮气含量14.5%、碳二以上组分含量3.5%、酸性气体含量3%的炼厂干气（体积比）经压缩后，压力提高到3.6兆帕送入如图2所示的装置中，其中第一膜分离装置采用选择性透过C2-C5组分的高分子纤维膜组件，操作温度40摄氏度；第一变压吸附塔吸附压力1.1兆帕，操作温度25摄氏度；第二变压吸附塔为吸附压力1兆帕，操作温度35摄氏度；第二膜分离装置采用选择性透过氢的聚酯膜组件，进料气压力3.4兆帕，操作温度40摄氏度，非渗透气与原料气混合再次进入加压装置后进入第一膜分离装置进行循环分离。
测量得出对氢气的回收率为92%，回收氢气纯度为99%，对富碳二组分的回收率为94%，碳二组分含量为96%。
实施例4. 氢气含量76.5% ，乙烯含量6.2% ，乙烷含量5.5%，氮气和其余组分含量11.8%的炼厂干气（体积比）经压缩后，压力提高到3.6兆帕送入如图2所示的装置中，其中第一膜分离装置采用选择性透过C2-C5组分的高分子纤维膜组件，操作温度40摄氏度；第一变压吸附塔吸附压力1.1兆帕，操作温度25摄氏度；第二变压吸附塔为吸附压力1兆帕，操作温度35摄氏度；第二膜分离装置采用选择性透过氢的聚酯膜组件，进料气压力3.4兆帕，操作温度40摄氏度，非渗透气与原料气混合再次进入加压装置后进入第一膜分离装置进行循环分离。
测量得出对氢气的回收率为97%，回收氢气纯度为99%，对富碳二组分的回收率为91%，碳二组分含量为95%。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1. 低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法，其特征在于，包括如下
步骤：
步骤1.一段膜分离：原料气进入第一膜分离装置，非渗透气进入步骤2，渗
透气进入步骤3；
步骤2.二段膜分离：步骤1中第一膜分离装置的非渗透气进入第二膜分离
装置，第二膜分离装置的渗透气进入步骤4，非渗透气作为原料气返回步骤1；
步骤3.一级变压吸附：步骤1中的非渗透气进入第一变压吸附塔，第一变
压吸附塔的解吸气输出作为产品富碳二组分，非解吸气进入步骤4；
步骤4.二级变压吸附：步骤2中的渗透气和步骤3中的非解吸气进入第二
变压吸附塔，第二变压吸附塔的解吸气作为燃烧气排出，非解吸气输出作为产品氢气。
2.如权利要求1所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法，其特征在于，所述步骤1中第一膜分离装置的膜可选择性透过碳二至碳五组分，所述步骤2中的第二膜分离装置的膜可选择性透过氢气。
3.如权利要求1所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法，其特征在于，所述步骤3和步骤4中的一级变压吸附与二级变压吸附装置可在低压下进行。
4.如权利要求1所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法，其特征在于，所述步骤1中原料气进入第一膜分离装置前还包括加压步骤。
5.如权利要求4所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法，其特征在于，所述步骤1中将原料气加压至2-4兆帕。
6.如权利要求1所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收方法，其特征在于，所述步骤1至4中操作温度均为常温。
7.低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收装置，其特征在于，包括第一膜分离装置（2）、第二膜分离装置（3）、第一变压吸附塔（4）、第二变压吸附塔（5）和加压装置（1）；
所述第一膜分离装置（2）的渗透侧与第一变压吸附塔（4）的进口连接，非渗透侧与第二膜分离装置（3）的进口连接；所述第二膜分离装置（3）的渗透侧与第二变压吸附塔（5）的进口连接，非渗透侧与第一膜分离装置（2）的进口或与加压装置（1）的进口连接；所述第一变压吸附塔（4）的塔顶非解吸气出口与第二变压吸附塔（5）的进口连接，塔底解吸气出口作为产品富碳二组分输出；所述第二变压吸附塔（5）的塔顶非解吸气出口作为产品氢气出口与氢气管网连接或直接输入产品氢气罐，塔底解吸气出口作为燃烧气出口与燃烧气管网连接。
8.如权利要求7所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收装置，其特征在于，所述第二膜分离装置的非渗透侧与加压装置的进口连接。
9.如权利要求7所述低浓度炼厂干气膜分离变压吸附组合回收装置，其特征在于，所述第一膜分离装置的进口还连接有加压装置。
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