CN111375293B - 一种炼厂气综合回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种炼厂气综合回收系统。该系统包括脱液单元、无机膜分离单元和高纯度氢气制备单元；所述无机膜分离单元和高纯度气体制备单元采用一体化装置；沿气体流动方向，该一体化装置依次包括原料气控制分配器、膜分离模块、吸附分离模块和产品气控制器。本发明通过模块化地设计原料气控制分配器、膜分离模块与吸附分离模块，将膜分离与吸附分离技术设备实现了一体化；通过原料气控制分配器分层设计与进气管的转动程序控制，实现了对原料气依次通过膜分离与吸附分离模块的控制。本发明采用膜分离与吸附分离高度集成的一体化设备，大幅度减少了装置投资与占地面积。

Description

一种炼厂气综合回收系统
技术领域
本发明涉及炼油化工领域，特别是涉及一种炼厂气的分离与回收系统。
背景技术
炼厂气常指常减压、催化裂化、延迟焦化、加氢裂化及合成氨等装置的排放气，炼厂气一般由H2、CH4、N2、O2、CO、CO2、C2H6、C2H4、H2S及少量的C3+中的三种以上组成。如典型的催化干气组成为，H2：30%（V），N2：21%（V），CH4：22%（V），C2H6+C2H4：24%（V），O2+CO+CO2：2%，C3+：1%。炼厂气最简单的处理方法是被送入燃料气管网作为燃料，在考虑经济性的情况下，则采用膜分离、深冷分离与吸附分离等方法，可以回收其中的氢气、乙烷、乙烯等高价值的组分。
专利CN101559311A，公开一种炼厂气集中梯级回收方法，该方法将压缩冷凝、精馏、变压吸附等技术集合起来，按照各炼厂气压力、温度、组成等条件，选择分离工艺，实现能源的梯级利用和资源的梯级回收。
专利CN104495752A，公开了一种使用膜分离与变压吸附联合处理炼厂气的方法和系统。专利CN104986735A，公开一种提高氢气回收率的方法，采用膜分离与变压吸附组合方法，主要在工艺流程上进行了改进。
以上专利公开的内容，主要是将已有的气体分离、净化技术进行了组合，同时根据现场物料条件对分离技术进行了优化匹配，但是，涉及到的各种分离技术仍然是以独立装置的形式存在。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种炼厂气综合回收系统。通过采用一种膜分离与吸附分离高度集成的一体化设备，可以在该设备中实现炼厂气中轻烃与氢气的回收。本发明的回收系统可以将现有轻烃回收、膜分离与变压吸附分离过程集成至一个生产环节中，从而提高生产效率、节省投资与占地面积。
本发明第一方面提供了一种炼厂气综合回收系统。
一种炼厂气综合回收系统，按照炼厂气的流向，所述系统依次包括脱液单元、无机膜分离单元和高纯度氢气制备单元，脱液单元的气相出口同无机膜分离单元的原料气入口相连通；所述无机膜分离单元和高纯度气体制备单元采用一体化装置；
所述的一体化装置整体外形结构呈圆柱状或正多边形体状；沿原料气到产品气方向，所述装置依次包括原料气控制分配器、膜分离模块、吸附分离模块和产品气控制器；
所述的原料气控制分配器包括原料气进气管、原料气缓冲盘和原料气分配盘；所述原料气缓冲盘的进气侧端面为封闭结构，出气侧包括2n个缓冲区，n为整数；所述缓冲区在缓冲盘上呈凹槽状，各缓冲区围绕圆柱或正多边形体的中心设置，且在朝向中心处开口（2n个开口彼此隔离且不相通），用于接收来自原料气进气管的原料气；所述原料气进气管贯穿原料气缓冲盘设置；原料气进气管在贯穿原料气缓冲盘（部分）的管壁上设置开口，该开口与原料缓冲区的开口相对应；所述原料气分配盘覆盖于原料气缓冲盘的出气侧端面，二者固定连接，使原料气缓冲区成为2n个彼此隔离的区域，原料气只能通过分配盘上的贯通孔进入对应的膜块单元；
所述的膜分离模块包括膜分离壳体、两端的膜管支撑板、固定于膜管支撑板之间的若干膜管组件、膜管组件分区隔板，所述膜管组件分区隔板将膜管组件分为2n个膜块单元，2n个膜块单元与2n个原料气缓冲区上下位置相对应；
所述的吸附分离模块包括吸附分离模块壳体、支撑板、吸附剂床层和吸附分区隔板，吸附分区隔板将吸附剂床层分隔为2n个吸附单元，2n个吸附单元与2n个膜块单元上下对应；吸附剂床层的另一端与产品气控制器固定连接；
所述产品气控制器为板状结构，其上分布有2n个产品气出口，2n个产品气出口分别与吸附单元的吸附剂床层相对应，并保持相通。
进一步的，所述的脱液单元用于脱除炼厂气中较重的组分，如水、C3+，这些组分在常温、较高的压力下会凝结成液滴，靠重力作用沉降在脱液单元底部并作为脱除液排出装置外。
进一步的，所述的一体化装置中，原料气进气管与原料气缓冲盘之间为活动连接，原料气进气管可以转动。因此，本发明的装置还可以包括驱动装置，所述驱动装置与原料气进气管之间固定连接，以用于驱动原料气进气管按照设定的程序转动或停止。所述原料气来自脱液单元的气相产品。
所述原料气进气管上开口的面积大小不大于相对应的缓冲盘上缓冲区用于接收原料气开口的面积。所述原料气进气管的末端为封闭结构，且其末端与原料气缓冲盘的出气端端面平齐。
所述的原料气分配盘上分布有若干贯通孔，所述的若干通孔分为2n个分区，分别与2n个膜分离模块相对应。所述原料气分配盘上的贯通孔，一般呈扇形分布，用于将经过缓冲区的原料气均匀分配到膜分离模块中。
所述膜分离模块进气侧的模板支撑板上分布有若干孔，所述的若干孔分为2n个区，分别与2n个原料气分配缓冲区相对应，并互通。
所述的膜分离模块中，膜分离模块进气侧的膜管支撑板与所述原料气分配盘采用同一构件或结构。
所述的膜分离模块壳体在对应2n个膜块单元的位置分别设置有渗余气排出口。
所述的膜分离模块壳体与所述的吸附分离模块壳体均采用圆筒或正多边形体结构。所述的膜分离模块与吸附分离模块同轴设置。
所述的膜分离模块，用于原料气体的粗提纯。所述膜分离模块设置的膜组件选择无机膜。无机膜适用于原料气中带液、含有酸性气体或温度压力变化时可能产生凝液的情况。无机膜可以采用中空分子筛膜，如碳分子筛、LTA分子筛、DDR分子筛膜等。
所述的膜分离模块，中空分子筛膜管封装在圆柱状壳体内，封装分子筛膜管的圆柱壳体下端与进入膜分离模块气体控制分配器连接，分子筛膜管被均分为2n个区块，每个区块包含有等量中空分子筛膜管。
所述的吸附分离模块壳体在对应2n个吸附单元的位置分别设置解吸气排出口，用于解吸程序中排出解吸气。
所述的吸附分离模块中，吸附剂被封装在圆柱状壳体内。圆柱壳体下端与膜分离模块的上端相连接，连接处设有与原料气分配盘类似结构的气体分配盘，圆柱壳体上端与产品气控制器连接。吸附剂通常被均分为2n个区块，每个区块能处理的气体量相同。
上述膜分离模块中均分的分子筛膜管区块数与吸附分离模块中均分的吸附剂区块数目相等。
上述吸附分离模块，用于将膜分离制得的粗提纯气体进一步提纯获得高纯度的气体。根据粗提纯气体中杂质组成，吸附分离模块中可分层堆填吸附各种杂质的吸附剂，一般包括活性氧化铝、硅胶、沸石分子筛、活性炭等。
进一步的，所述产品气控制器为板状结构，其上分布有2n个产品气出口，2n个产品气出口分别与吸附单元的吸附剂床层相对应，并保持相通。所述的产品气排放口，用于控制产品气的排出与吸附床层内部的压力。
所述的一体化装置还可以包括中心轴，所述的膜分离模块、吸附分离模块和产品气控制器均通过中心轴安装孔套装于所述中心轴上。中心轴的设置，用于实现制取装置的快速安装与检修。
所述脱液单元中，可以加速脱液过程的技术包括旋流分离与聚结脱液技术。旋流分离脱液根据物质间的密度差异及离心力的作用，可以将较大分子的水与重烃等凝结脱除；聚结器脱液则是根据不同物质不同的表面张力脱除炼厂气中的大分子物质。
所述的无机膜分离单元用于进一步脱除炼厂气中的轻烃，在无机膜单元的渗透侧，炼厂气中氢气纯度可达50～98 v%，在无机膜单元的渗余侧，甲烷、乙烷、乙烯等轻烃组分得到浓集。无机膜可以为炭分子筛膜、沸石分子筛膜（如NaA、Y、X等类型的分子筛）、MOF材料膜等。无机膜分离单元的最重要特点之一是不被炼厂气中可能产生的凝液污染，在水或液态烃环境中，无机膜材料的化学稳定性良好。
所述的高纯度氢气制备单元采用吸附分离的技术方法，用于将无机膜分离单元渗透侧的含氢气体进一步提纯，得到99.9～99.9999 v%的高纯氢气。根据含氢气体中杂质组成，可供选择的吸附剂包括活性氧化铝、硅胶、沸石分子筛、活性炭等吸附剂中的至少两种。
本发明第二方面还提供了一种炼厂气综合回收工艺，其中使用了前述的炼厂气综合回收系统。
与现有技术相比，本发明的一种炼厂气综合回收系统具有如下优点：
1、通过一体化设备的创新设计，实现了无机膜粗提纯气体并回收轻烃凝液装置与吸附分离制备高纯度氢气装置的高度集成，使炼厂气回收流程简化，并使投资与装置占地可分别减少至少25%和50%。
2、所述的一体化装置中，通过模块化的设计原料气控制分配器、膜分离模块与吸附分离模块，将膜分离与吸附分离技术设备实现了一体化。
3、通过原料气控制分配器分层设计与进气管的转动程序控制，实现了对原料气依次通过膜分离与吸附分离模块的控制。同时，保证了膜分离模块与吸附分离模块的周期性工作与再生，使膜与吸附剂床层各自的特点与净化功能充分发挥。
4、对膜分离与吸附分离的一体化创新设计，有效减少设备占地面积与重量，为高纯度气体的制取提供了一种经济高效的设备与技术。
5、采用的无机膜，热稳定性与化学稳定性较有机膜更好，使装置的操作弹性更宽，高效运行周期更长。
6、较传统组合工艺，系统运行能耗至少减少30%。
附图说明
图1为一种炼厂气综合回收系统示意图。
图2为高纯度气体制取装置结构示意图。
图3为高纯度气体制取装置的原料气管结构示意图。
图4为高纯度气体制取装置的进料分配器结构示意图。
图5为高纯度气体制取装置的无机膜模块结构示意图。
图6为高纯度气体制取装置的吸附分离模块结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明所述炼厂气综合回收系统进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的内容仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
下面结合附图对本发明所述炼厂气综合回收系统做进一步说明，如图1为本发明的一种炼厂气综合回收系统示意图，包括脱液单元A、无机膜分离单元B、高纯度氢气制备单元C。
在如图1所示的系统中，炼厂气的综合回收流程为，炼厂气100首先经过脱液单元A，脱液后气体101作为无机膜分离单元B的进料，脱除的水、C3 +重烃等组分作为脱除液102从单元A底部排出；脱液后气体101经过无机膜分离单元B后，得到渗透气201作为高纯度氢气制备单元C的进料，得到渗余气和部分轻烃凝液202从单元B底部排出；经过无机膜分离单元粗提纯后的渗透气201进一步通过高纯度氢气制备单元C，得到高纯度氢气301，以及解吸气302从单元C底部排出。
脱液单元A中可以采用旋流分离或聚结分离技术。
其中，无机膜分离单元B与高纯度氢气制备单元C组成了一体化高纯度气体制取装置，其结构如图2所示。图2中，4为脱液后气体101作为原料气进入一体化（高纯气体制取）装置的原料气进气管，5为脱液后气体101进入无机膜分离单元B的进料分配器，通过分配器5，可以控制脱液后气体101进入单元B中一定的无机膜管区块，6为无机膜分离单元B中无机膜的组装方式示意，7为渗透气201进入单元C的分配器，8为高纯度氢气制备单元C中吸附分离材料装填的结构示意，9为高纯度氢气301出装置的控制器，10为实现无机膜分离单元B与高纯度氢气制备单元C结合中心轴，可用于两单元的快速组装。604为渗余气和部分轻烃凝液202从单元B底部的排出口，804为解吸气302从单元C底部的排出口。
脱液后气体101进入高纯度气体制取装置的原料气进气管4，结构如图3所示，其上设有开口401，用于将原料气通过开口504分配至缓冲区，仅有开口401与一个开口504对应时，原料气进入相应的缓冲区，再依次进入对应的膜分离与吸附分离模块，在开口401所不对应的缓冲区中没有原料气进入。
如图4所示，进料分配器5，包括缓冲盘501，分配盘502。
所述缓冲盘501上设有凹槽型进料缓冲区503，同时凹槽设有朝向中轴，用于接收来自原料气管进料的开口504（开口数与缓冲区数相等，且相互隔离），进料分配盘502上设有贯通孔505。
所述的进料分配盘502覆盖于原料气缓冲盘501之上，使得进料只能通过开口504进入缓冲区503，再由缓冲区经分配盘上的贯通孔505均匀分配进入无机膜分离单元B的确定区块中。
所述无机膜分离单元B，其中无机膜模块6的组装结构如图5，包括膜组件601、膜组件分区隔板602、膜组件安装壳体603、进气端膜管支撑板605、出气端膜管支撑板606和位于安装壳体（上）底部的渗余气排出口604（渗余气排出口的数目与膜组件分隔区的块数相等）。进气端膜管支撑板605可以采用与原料气分配盘完全相同的结构，且其设置的贯通孔亦与原料气分配盘的贯通孔一一对应。或者，进气端膜管支撑板605与原料气分配盘采用同一构件。出气端膜管支撑板606与膜组件安装壳体603边缘密封连接，其上设置若干贯通孔，若干贯通孔与膜组件601的出气口一一对应。渗余气排出口604为渗余气和部分轻烃凝液202的排出口。
出气端膜管支撑板606与渗透气201进入单元C的分配器7可以采用同样结构形式，或为同一组成构件。
高纯度氢气制备单元C，其中吸附分离模块8的组装结构如图6，包括吸附剂床层801、吸附剂床层分区隔板802、吸附剂床层壳体803、吸附剂模块分配盘805、位于吸附剂床层壳体803（上）底部的解吸气排出口804（解吸气排出口的数目与吸附剂床层分隔区块数相等）。吸附剂模块分配盘805可以采用与出气端膜管支撑板606完全相同的结构，且其设置的贯通孔亦与膜分离模块出气端板上的贯通孔一一对应。或者，吸附剂模块分配盘805与出气端膜管支撑板606采用同一构件。解吸气排出口804为解吸气302从单元C底部的排出口。
图2中，无机膜分离单元B中无机膜管可组装为2、4、6、8等偶数个区块，高纯度氢气制备单元C中堆填的吸附剂同样被分为2、4、6、8等偶数个区块，且单元B中均分的无机膜管区块数与单元C中均分的吸附剂区块数目相等。通过原料气控制分配可以实现相等数量的无机膜管区块与吸附剂区块同时工作，制取高纯度氢气并回收轻烃，同时其它未工作的区块进行解吸再生的步骤，可以实现系统的连续生产。
下面介绍本发明所述炼厂气综合回收系统的工作过程，以无机膜分离单元B和高纯度氢气制备单元C均分为4个区块为例进行说明，所述系统工作时包括如下步骤：
（1）、炼厂气100在压力1.0MPa-20.0MPa的工况下进入脱液单元A，采用旋流或聚结脱液的方式，脱除炼厂气中90%以上的水与50%以上的C3+组分；
（2）、脱液后气体101经过无机膜分离单元B的进料分配器5，进入无机膜分离单元中的一个区块，产生的渗余气主要为甲烷和部分C2+凝液，在此过程中保留在渗余侧；
（3）、无机膜分离单元产生的渗透气201作为高纯度氢气制备单元C的进料，氢气纯度达到50%-98%（v），通过分配器7，渗透气201进入单元C中的对应区块；
（4）、渗透气201经过单元C中的吸附剂区块后，得到99.9%-99.9999%（v）的高纯度氢气301；
（5）、以吸附剂区块的吸附饱和为时间指标，完成1-4步骤后，通过原料气进气管4，将原料炼厂气导入另一无机膜分离单元区块，此过程中，高纯度氢气制备单元C与单元B同时被切换；
（6）、在另一区块进行工作的同时，通过渗余气排出口604排出上次膜分离过程产生的渗余气和部分C2+凝液；通过解吸气排出口804排出吸附剂中解吸出的杂质气体，完成吸附剂区块的再生；
（7）重复上述步骤（2）至步骤（6），即可实现装置的连续运转，实现对炼厂气中高价值组分的分离回收。
实施例1
某企业有6000Nm3/h催化干气，平均组成为，CH4：19%（V）；C2H6：9%（V）；C2H4：8%（V）；C3+：12%（V）；H2：52%（V）。
要回收其中氢气，一般采用脱液、有机膜分离与变压吸附分离的组合工艺。为保证有机膜长时间高效运行，必须通过冷凝、压缩等手段将催化干气中的C2+组分尽可能脱除，防止轻烃组分凝液对有机膜的污染；经过有机膜得到85%-90%（V）的含氢气体，进一步进入变压吸附分离装置纯度大于99%（V）的氢气。
采用本发明一种炼厂气综合回收系统，如附图1所示流程，催化干气在脱液部分主要脱除C3+，同时不需要将C3组分的含量严格控制，在无机膜分离单元中，渗透侧的含氢气体纯度同样能够达到85%-90%（V）。采用了无机膜分离与变压吸附分离一体化装置后，经无机膜单元提纯后的含氢气体直接进入吸附分离单元，得到高纯度氢气。同时在脱液单元脱除液主要组成为C3+组分，无机膜分离单元渗余侧主要组分为C2+组分，高纯度氢气制备单元解吸气主要为甲烷。
采用本发明所述轻烃回收系统后，与常规脱液、有机膜、变压吸附分离组合技术相比，在能耗、占地与投资等方面的对比如下表1所示。
表1 经济性对比
项目 常规组合技术 本发明技术
投资 1 0.75
占地面积 1 0.25
能耗 1 0.5
由上表可知，与常规组合技术相比，本发明所述炼厂气综合回收系统，在经济性方面占有绝对优势，同时由于将组合技术的三套装置集成为一体化设备，后期的运行管理费用也将大大降低。

Claims (15)

1.一种炼厂气综合回收系统，按照炼厂气的流向，所述系统依次包括脱液单元、无机膜分离单元和高纯度氢气制备单元，脱液单元的气相出口同无机膜分离单元的原料气入口相连通；所述无机膜分离单元和高纯度气体制备单元采用一体化装置；
所述的一体化装置，整体外形结构呈圆柱状或正多边形体状；沿原料气到产品气方向，所述装置依次包括原料气控制分配器、膜分离模块、吸附分离模块和产品气控制器；
所述的原料气控制分配器包括原料气进气管、原料气缓冲盘和原料气分配盘；所述原料气缓冲盘的进气侧端面为封闭结构，出气侧包括2n个缓冲区，n为整数；所述缓冲区在缓冲盘上呈凹槽状，各缓冲区围绕圆柱或正多边形体的中心设置，且在朝向中心处开口，用于接收来自原料气进气管的原料气；所述原料气进气管贯穿原料气缓冲盘设置；原料气进气管在贯穿原料气缓冲盘的管壁上设置开口，该开口与原料缓冲区的开口相对应；所述原料气分配盘覆盖于原料气缓冲盘的出气侧端面，二者固定连接，使原料气缓冲区成为2n个彼此隔离的区域，原料气只能通过分配盘上的贯通孔进入对应的膜块单元；
所述的膜分离模块包括膜分离模块壳体、两端的膜管支撑板、固定于膜管支撑板之间的若干膜管组件、膜管组件分区隔板，所述膜管组件分区隔板将膜管组件分为2n个膜块单元，2n个膜块单元与2n个原料气缓冲区上下位置相对应；
所述的吸附分离模块包括吸附分离模块壳体、支撑板、吸附剂床层和吸附分区隔板，吸附分区隔板将吸附剂床层分隔为2n个吸附单元，2n个吸附单元与2n个膜块单元上下对应；吸附剂床层的另一端与产品气控制器固定连接；
所述产品气控制器为板状结构，其上分布有2n个产品气出口，2n个产品气出口分别与吸附单元的吸附剂床层相对应，并保持相通。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，膜分离模块进气侧的膜管支撑板与所述原料气分配盘采用同一构件或结构。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的原料气进气管与原料气缓冲盘之间为活动连接，原料气进气管可以转动。
4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述原料气进气管上开口的宽度不大于相对应的缓冲区在圆心处开口的宽度。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述装置还包括驱动装置，所述驱动装置用于驱动原料气进气管按照程序转动。
6.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的膜分离模块与吸附分离模块同轴设置。
7.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述膜分离模块壳体在对应2n个膜块单元的位置分别设置有渗余气排出口。
8.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的原料气分配盘上分布有若干贯通孔，所述的若干贯通孔分为2n个区，分别与2n个膜分离模块相对应。
9.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述膜分离模块进气侧的膜管支撑板上分布有若干孔，所述的若干孔分为2n个区，分别与2n个吸附分离单元相对应，并互通。
10.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的吸附分离模块壳体在对应2n个吸附单元的位置分别设置解吸气排出口。
11.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的装置还包括中心轴，所述的膜分离模块、所述吸附分离模块和产品气控制器均套装于所述中心轴上。
12.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述膜分离模块壳体、吸附分离模块壳体为圆筒状结构。
13.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述原料气进气管的末端封闭。
14.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述缓冲区在朝向中心处的2n个开口彼此隔离且不相通。
15.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，2n个缓冲区上设置的2n个开口彼此隔离且不相通。
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