CN104071749A - 一种干气分离氢气方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干气分离氢气方法及系统，所述方法包括原料气压缩工艺、膜分离工艺和产品氢气压缩工艺，所述系统包括第一压缩机和在其之后连接的除雾器，在所述第一压缩机之前设置有原料气缓冲罐和第一过滤器，在所述除雾器之后顺序连接有第二过虑器、原料气加热器、膜分离器，所述膜离器有两路输出口：一路为成品-含氢气尾气输出口，一路为非成品-其它废气输出口。本发明提高了含氢干气中氢气的回收效率，其膜分离器是普利森膜分离器，安装投产快，所采用的加温后的分离氢气的工艺，使原料气远离露点，不至因氢气渗透后滞留气烃类含量升高冷凝形成液膜而影响分离性能，提高膜分离器的使用效率。

Description

一种干气分离氢气方法及系统

技术领域

 本发明属石油化工，特别涉及一种干气分离氢气方法及系统，是针对石油化工产生含氢S-zorb尾气、柴油加氢低分气和中压加氢低分气组成混合废气处理的分离氢气系统及方法。

背景技术

干气作为炼油企业中的尾气，会含有许多化学成分，氢气就是其中一种，过去通常的做法是将干气用管道引至约120米高空，通过火炬顶部的燃烧器进行燃烧的方法排放到大气中去，随着技术的进步，人们利用各种方法将其回收利用，而不再采用火炬的方法燃烧排放到大气中去，公开号CN101260017B的专利公开了一种“变压吸附分离炼厂干气中乙烯和氢气方法”，采用两步法，首先将干气中的乙烯分离，然后再分离干气中的氢气，其脱水采用的是常规的干燥剂脱水，虽然分离乙烯是在工作温度为50℃至170℃下、压力为0.4至1.2Mpa下将乙烯分离，然而在分离干气中的氢气过程中却是在常温下进行的，而变压吸附实际上是一种膜分离技术，因此，如果分离干气中的氢气过程中是在常温下进行的，会出现因氢气渗透后滞留气烃类含量升高冷凝形成液膜而影响分离性能，该项技术对于氢气的回收还存在效率低，以及膜分离器维修率高的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提出一种干气分离氢气方法及系统。是针对S-zorb尾气、柴油加氢低分气和中压加氢低分气组成混合作为原料气的分离氢气方法及系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种干气分离氢气的方法，是围绕膜分离工艺的一种干气分离氢气方法，原料气是温度为40°C的废气，将所述废气加压至3.5Mpa后送入一个除雾器，除去可冷凝的液体和粒子，其中：所述方法步骤进一步包括： 

第一步：将从除雾器出来的气体送入一个过滤器，进一步除去油雾及大于0.01mm的粒子；

第二步：将从过滤器出来的气体送入气体加热器将原料气加热至83°C，使原料气远离露点；

第三步：将加热至83°C的气体送入膜分离器进行分离，在膜分离器低压侧得到含氢尾气，在膜分离器高压侧得到非渗透气，非渗透气经调节阀减压后送到用燃料气管网；

第四步：将得到的含氢尾气送入氢气冷却器冷却至40°C，冷却后的氢气通过氢气压缩机压缩后送至制氢装置。

方案进一步是：所述废气是干气装置吸附废气、S-zorb尾气、柴油加氢低分气和中压加氢低分气集合成温度达40°C的废气。

方案进一步是：所述膜分离器进行分离是利用一种高分子聚合物薄膜来选择“过滤”原料气而达到分离的目的，当含有氢气的混合气通过聚合物薄膜氢气分离器时，氢气作为渗透气在聚合物薄膜一侧从渗透气出口排出。

方案进一步是：所述高分子聚合物薄膜是聚酰亚胺或聚砜薄膜。

方案进一步是：所述气体加热器将原料气加热至83°C分为两步，第一步为预热：将原料气从40°C以2°C/秒的速率预热至60°C，第二步为速加热：将已升至60°C的原料气以5°C/秒的速率迅速加热至83°C。

方案进一步是：从原料气中所述得到的含氢尾气中的氢气回收率是80%以上。

一种上述方法的系统，包括一个用于原料气加压的第一压缩机和在其之后连接的除雾器，其中，在所述第一压缩机之前设置有原料气缓冲罐和第一过滤器，原料气缓冲罐用于将多路废气集合成温度达40°C的原料气，第一过滤器设置在第一压缩机和原料气缓冲罐之间；在所述除雾器之后顺序连接有第二过虑器、原料气加热器、膜分离器，所述膜离器有两路输出口：一路为成品-含氢气尾气输出口，一路为非成品-其它废气输出口，所述含氢气尾气输出口顺序连接氢气尾气储罐和第二压缩机，所述其它废气输出口连接至其它废气收集管路，其中：所述第一过滤器用于除去大于3mm的可冷凝的液体和粒子，所述第二过虑器用于除去油雾及大于0.01mm的粒子，所述第一压缩机用于将所述原料气加压至3.5Mpa，所述第二压缩机用于将含氢气尾气压缩至2.5MPa后，由管道送至制氢装置。

方案进一步是：所述原料气加热器分为预热加热器和加速加热器，两组加热器都为板式换热器，预热加热器用于将原料气从40°C以2°C/秒的速率预热至60°C，加速加热器用于将已升至60°C的原料气以5°C/秒的速率迅速加热至83°C。

方案进一步是：所述膜分离器是采用高分子聚合物薄膜的耐压罐式膜分离器，分离器分别设有分离器入口、渗透汽出口和非渗透气出口，分离器入口用于连接原料气，渗透汽出口是所述含氢气尾气输出口，非渗透气出口是所述其它废气输出口。

方案进一步是：所述膜分离器是普利森膜分离器，在膜分离器与原料气加热器之间设置有联锁导流阀，在所述除雾器设置有液位传感器输出信号，原料气加热器输出口设置有温度传感器输出信号，一个微处理器控制器分别连接读取除雾器的液位传感器输出信号和原料气加热器输出口的原料气温度传感器信号，微处理器控制器的输出控制信号连接联锁导流阀，微处理器控制器根据设置的除雾器液位上下阈值和原料气温度的上下阈值控制联锁导流阀的开与关，进而保护膜分离器，提高膜分离器的使用效率。

本发明方法和系统提高了含氢S-zorb尾气、柴油加氢低分气和中压加氢低分气组成混合废气中氢气的回收效率，以处理干气20000Nm3 /小时规模的本发明系统，可生产富氢产品气7400 Nm3 /小时，年生产富氢产品气1.25万吨，而基本上没有在线污水的产生，只是在开停工时排放的生产污水、装置正常生产时各分液罐排放的含油污水，开停工污水最大排放量5立方米/h，系统的标准化程度高，其膜分离器是普利森膜分离器，安装投产快，所采用的加温后的分离氢气的工艺，使原料气远离露点，不至因氢气渗透后滞留气烃类含量升高冷凝形成液膜而影响分离性能，提高膜分离器的使用效率。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1为本发明工艺流程示意图；

图2为本发明系统设备工艺流程图。

具体实施方式

实施例1：

一种干气分离氢气的方法，如图1所示，所述方法流程可分为原料气压缩工艺1、膜分离工艺2和产品氢气压缩工艺3，是围绕膜分离工艺的一种干气分离氢气方法，原料气是温度为40°C的废气（原料气），将所述废气加压至3.5Mpa后送入一个除雾器，除去可冷凝的液体和粒子，其中：所述方法的步骤进一步包括： 

第一步：将从除雾器出来的气体送入一个过滤器，进一步除去油雾及大于0.01mm的粒子；

第二步：将从过滤器出来的气体送入气体加热器将原料气加热至83°C，使原料气远离露点；

第三步：将加热至83°C的气体送入膜分离器进行分离，在膜分离器低压侧得到渗透的含氢尾气，在膜分离器高压侧得到非渗透气，非渗透气经调节阀减压后送到燃料气管网；

第四步：将得到的含氢尾气送入氢气冷却器冷却至40°C，冷却后的氢气通过氢气压缩机压缩后送至制氢装置。

其中：

所述的原料气压缩工艺就是：将所述废气加压至3.5Mpa后送入一个除雾器，除去可冷凝的液体和粒子，将从除雾器出来的气体送入一个过滤器，进一步除去油雾及大于0.01mm的粒子；

所述的膜分离工艺就是：将从除雾过滤器出来的气体送入气体加热器将原料气加热至83°C，使原料气远离露点；将加热至83°C的气体送入膜分离器进行分离，在膜分离器低压侧得到含氢尾气，在膜分离器高压侧得到非渗透气，非渗透气经一调节阀减压后送到用燃料气管网；

所述的产品氢气压缩工艺就是：将得到的含氢尾气送入氢气冷却器冷却至40°C，冷却后的氢气送入氢气压缩机压缩后送至制氢装置。

实施例中：如图2所示，所述废气是干气装置吸附废气、S-zorb尾气、柴油加氢低分气和中压加氢低分气集合成温度达40°C的废气。

实施例中： 所述膜分离器进行分离是利用一种高分子聚合物薄膜来选择“过滤”原料气而达到分离的目的，当含有氢气的混合气通过聚合物薄膜氢气分离器时，氢气作为非渗透气在聚合物薄膜一侧从与进料气入口相对的另一端非渗透气出口排出。

实施例中：所述高分子聚合物薄膜是聚酰亚胺或聚砜薄膜。

膜分离的工作原理就是利用一种高分子聚合物（Prism膜通常是聚酰亚胺或聚砜）薄膜来选择“过滤”原料气而达到分离的目的。当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时，各气体组分在聚合物中的溶解扩散系数的差异，导致其渗透通过膜壁的速率不同。由此，可将气体分为“快气”（如H₂O、Ｈ₂、Ｈe等）和“慢气”（如Ｎ₂、ＣＨ₄及其它烃类等）。当混合气体在驱动力—膜两侧相应组分分压差的作用下，渗透速率相对较快的气体优先透过膜壁而在低压渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集。各气体渗透量可表示为：Qi=(P/l)i*A*(Pxi-pyi)

式中Qi——气体组分i的渗透量

(P/l)i——气体组分i的渗透系数

A——膜面积

P——原料气压力

p—— 渗透气压力

xi——气体组分i在原料气中的体积分数

yi——气体组分i在渗透气中的体积分数

从上式可以看出：膜的分离选择性（各气体组分渗透量的差异）、膜面积和膜两侧的分压差构成了膜分离的三要素。其中，膜分离的选择性取决于制造商选用的膜材料及制备工艺，是决定膜分离系统性能和效率的关键因素。

Prism及其同系物Cactus膜分离系统的核心部件是结构型类似于管壳式换热器的膜分离器，数万根细小的中空纤维丝浇铸成管束而置于承压管壳内。混合气体进入分离器后沿纤维的一侧轴向流动，“快气”不断透过膜壁而在纤维的另一侧富集，通过渗透气出口排出，而滞留气则从与气体入口相对的另一端非渗透气出口排出。

实施例中：所述气体加热器将原料气加热至83°C分为两步，第一步为预热：将原料气从40°C以2°C/秒的速率预热至60°C，第二步为速加热：将已升至60°C的原料气以5°C/秒的速率迅速加热至83°C。

实施例中：从原料气中所述得到的含氢尾气中的氢气回收率是80%以上。

一个具体的氢气分离单元设计产量为每小时生产富氢产品气7408.39Nm3/h，合1.50t/h。氢气收率设计值为82.2%、实际的测试值81%（不包括设备、管道等泄漏及开停车损失）。

实施例2：

一种实现实施例1所述一种从炼油废气中分离氢气的方法的系统，实施例1的内容也应为本实施例中的内容，如图2所示，所述系统包括一个用于原料气加压的第一压缩机4，其中，在所述第一压缩机之前设置有原料气缓冲罐5和第一过滤器6，原料气缓冲罐用于将多路废气集合成温度达40°C的原料气，第一过滤器设置在第一压缩机和原料气缓冲罐之间；在所述第一压缩机之后顺序连接有除雾器7、第二过虑器8、原料气加热器9、膜分离器10，所述膜离器有两路输出口：一路为成品-含氢气尾气输出口10-1，一路为非成品-其它废气输出口10-2，所述含氢气尾气输出口顺序连接氢气尾气储罐11和第二压缩机12，所述其它废气输出口连接至其它废气收集管路13，其中：所述第一过滤器用于除去大于3mm的可冷凝的液体和粒子，所述第二过虑器用于除去油雾及大于0.01mm的粒子，所述第一压缩机用于将所述原料气加压至3.5Mpa，所述第二压缩机用于将含氢气尾气压缩至2.5MPa后，由管道送至制氢装置14，其中的第一过滤器和第二过虑器分别采用袋式过滤器。

实施例中：所述原料气加热器分为预热加热器9-1和加速加热器9-2，两组加热器都为板式换热器，预热加热器用于将原料气从40°C以2°C/秒的速率预热至60°C，加速加热器用于将已升至60°C的原料气以5°C/秒的速率迅速加热至83°C。其中，预热加热器的热源连接至第一压缩机的热交换输出，其中的热交换输出是利用原料气经第一压缩机加压和两级电加热（CWS-CWR）的输出；加速加热器的热源连接至管网蒸汽热气源。

实施例中：所述膜分离器是采用高分子聚合物薄膜的耐压罐式膜分离器，分离器分别设有分离器入口、渗透汽出口和非渗透气出口，分离器入口用于连接原料气，渗透汽出口是所述含氢气尾气输出口，非渗透气出口是所述其它废气输出口。

实施例中：所述膜分离器是普利森膜分离器，在膜分离器与原料气加热器之间设置有联锁导流阀16，在所述除雾器设置有液位传感器输出信号17，原料气加热器输出口设置有温度传感器输出信号18，一个微处理器控制器分别连接读取除雾器的液位传感器输出信号和原料气加热器输出口的原料气温度传感器信号，微处理器控制器的输出控制信号连接联锁导流阀，微处理器控制器根据设置的除雾器液位上下阈值和原料气温度的上下阈值控制联锁导流阀的开与关，进而保护膜分离器，提高膜分离器的使用效率。

本实施例结合实施例1中原料气的压缩工序：干气装置吸附废气19、S-zorb尾气20、柴油加氢低分气21和中压加氢低分气22由管道输送至界区经以集合管后混合成原料气，依次进入原料气入口缓冲罐、原料压缩机入口过滤器，然后进入原料气压缩机压缩到3.5MPa后，进入膜分离工序，图2中的序号23是浮油回收管，分别连接原料气缓冲罐5、除雾器7、氢气尾气储罐11，回收产生的浮油回到S-zorb装置。

膜分离工序：被压缩的原料气首先进入除雾器，除去大部分可冷凝的液体和粒子，一液位变送器对除雾器的液位实行液位指示、报警及联锁。除雾器出来的气体进入膜分离入口过滤器，以进一步除去油雾及大于0.01mm的粒子；后进入原料预热器及原料加热器将原料气加热至83°C，使原料气远离露点，不至因氢气渗透后滞留气烃类含量升高冷凝形成液膜而影响分离性能，其中，用一蒸汽调节阀24与温度变送器20联合实现原料气温度的调节、指示、报警及联锁；加热过的气体经一管道过滤器进入膜分离器组进行分离。在低压侧得到含氢尾气再进入产品氢气压缩工序。高压侧得到非渗透气，非渗透气经一调节阀减压后送到用燃料气管网。

产品氢气压缩工序：经膜分离得到的含氢尾气进入氢气冷却器，然后进入氢气压缩机入口缓冲罐，最后进入产品氢气压缩机压缩到2.5MPa后，由管道送至制氢装置。 

Claims (10)

1.一种干气分离氢气的方法，是围绕膜分离工艺的一种干气分离氢气方法，原料气是温度为40°C的废气，将所述废气加压至3.5Mpa后送入一个除雾器，除去可冷凝的液体和粒子，其特征在于：所述方法步骤进一步包括： 

第一步：将从除雾器出来的气体送入一个过滤器，进一步除去油雾及大于0.01mm的粒子；

第二步：将从过滤器出来的气体送入气体加热器将原料气加热至83°C，使原料气远离露点；

第三步：将加热至83°C的气体送入膜分离器进行分离，在膜分离器低压侧得到含氢尾气，在膜分离器高压侧得到非渗透气，非渗透气经调节阀减压后送到燃料气管网；

第四步：将得到的含氢尾气送入氢气冷却器冷却至40°C，冷却后的氢气通过氢气压缩机压缩后送至制氢装置。

2.根据权利要求1所述的一种干气分离氢气的方法，其特征在于，所述废气是干气装置吸附废气、S-zorb尾气、柴油加氢低分气和中压加氢低分气集合成温度达40°C的废气。

3.根据权利要求1所述的一种干气分离氢气的方法，其特征在于， 所述膜分离器进行分离是利用一种高分子聚合物薄膜来选择“过滤”原料气而达到分离的目的，当含有氢气的混合气通过聚合物薄膜氢气分离器时，氢气作为渗透气在聚合物薄膜一侧从渗透气出口排出。

4.根据权利要求3所述的一种干气分离氢气的方法，其特征在于，所述高分子聚合物薄膜是聚酰亚胺或聚砜薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种干气分离氢气的方法，其特征在于，所述气体加热器将原料气加热至83°C分为两步，第一步为预热：将原料气从40°C以2°C/秒的速率预热至60°C，第二步为速加热：将已升至60°C的原料气以5°C/秒的速率迅速加热至83°C。

6.根据权利要求1所述的一种干气分离氢气的方法，其特征在于，从原料气中所述得到的含氢尾气中的氢气回收率是80%以上。

7.一种实现权利要求1所述方法的系统，包括一个用于原料气加压的第一压缩机和在其之后连接的除雾器，其特征在于，在所述第一压缩机之前设置有原料气缓冲罐和第一过滤器，原料气缓冲罐用于将多路废气集合成温度达40°C的原料气，第一过滤器设置在第一压缩机和原料气缓冲罐之间；在所述除雾器之后顺序连接有第二过虑器、原料气加热器、膜分离器，所述膜离器有两路输出口：一路为成品-含氢气尾气输出口，一路为非成品-其它废气输出口，所述含氢气尾气输出口顺序连接氢气尾气储罐和第二压缩机，所述其它废气输出口连接至其它废气收集管路，其中：所述第一过滤器用于除去大于3mm的可冷凝的液体和粒子，所述第二过虑器用于除去油雾及大于0.01mm的粒子，所述第一压缩机用于将所述原料气加压至3.5Mpa，所述第二压缩机用于将含氢气尾气压缩至2.5MPa后，由管道送至制氢装置。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述原料气加热器分为预热加热器和加速加热器，两组加热器都为板式换热器，预热加热器用于将原料气从40°C以2°C/秒的速率预热至60°C，加速加热器用于将已升至60°C的原料气以5°C/秒的速率迅速加热至83°C。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述膜分离器是采用高分子聚合物薄膜的耐压罐式膜分离器，分离器分别设有分离器入口、渗透汽出口和非渗透气出口，分离器入口用于连接原料气，渗透汽出口是所述含氢气尾气输出口，非渗透气出口是所述其它废气输出口。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述膜分离器是普利森膜分离器，在膜分离器与原料气加热器之间设置有联锁导流阀，在所述除雾器设置有液位传感器输出信号，原料气加热器输出口设置有温度传感器输出信号，一个微处理器控制器分别连接读取除雾器的液位传感器输出信号和原料气加热器输出口的原料气温度传感器信号，微处理器控制器的输出控制信号连接联锁导流阀，微处理器控制器根据设置的除雾器液位上下阈值和原料气温度的上下阈值控制联锁导流阀的开与关，进而保护膜分离器，提高膜分离器的使用效率。