CN114471090B - 一种综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺,属于石油化工领域。该工艺将低压浅冷吸收、氢气膜分离、高压浅冷吸收、轻烃膜分离单元操作耦合集成,能够安全稳定且高效地回收氢气、碳二馏分、碳四馏分和轻质石脑油。实际运行表明,氢气收率超过85%,碳二收率超过75%,碳三和碳四的收率超过98%,石脑油收率超过99%。以50万吨乙烯装置副产的火炬气为例,每年产出富氢气485万标方,富碳二馏分1658吨,富碳四馏分8912吨,轻质石脑油212吨,经济效益超过1000万元。综上所述,本发明提供的综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺,可安全稳定地实现高附加值资源的综合利用,为乙烯装置创造显著的经济效益。

Description

一种综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺
技术领域
本发明涉及一种综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺,属于石油化工领域。针对乙烯装置在运行过程中产生的火炬气,本发明提出了一种耦合集成低压浅冷吸收、氢气膜分离、高压浅冷吸收、轻烃膜分离等单元操作的分离工艺,能够高效回收乙烯装置火炬气中的氢气、碳二(包括乙烯)、碳三(包括丙烯)、碳四(包括丁二烯),以及其他分子量较大的裂解原料。实际运行结果表明,氢气收率超过85%,碳二收率超过75%,碳三、碳四的收率超过98%,证明本发明所述的膜耦合工艺能够实现乙烯装置火炬气的高效分离和综合利用。
背景技术
乙烯是世界上产量最大的化学产品之一,是合成纤维、合成橡胶、塑料以及乙醇的基本原料,也用于制造氯乙烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸和乙醛等其他化工产品。蒸汽裂解是最主要的乙烯生产工艺,原料主要是石油炼制和加工过程的中间产品,包括乙烷、丙烷、液化石油气、石脑油、柴油和加氢尾油等。中国乙烯工业主要以石脑油和柴油为原料,超过原料总量的70%,长期受到石油资源严重短缺的限制;除此之外,每吨乙烯消耗石脑油和柴油等原料超过3.0吨,占生产总成本的60~80%。综上所述,提高乙烯装置的原料利用率,是缓解原料短缺、提高生产竞争力的重要方向。
表1中国某乙烯装置(以石脑油和柴油为原料)的火炬气组成
Figure BDA0003496133550000011
在乙烯生产过程中,由于产品质量调控和生产能力调节等多方面的因素,多套设备会不定期地排放富含氢气和轻烃的可燃气体。在早期的乙烯生产体系中,这些可燃气体采用火炬焚烧的方式来减少环境污染,因此在乙烯工业中将之统称为乙烯装置火炬气。根据石脑油和柴油裂解的工业数据,50万吨乙烯装置的火炬气,体积流量约为2000~2100标方/时,对应的质量流量约为2300~2400千克/时(按每年运行8000小时计算)。根据实测数据,50万吨乙烯装置副产火炬气中蕴含的碳二含量接近2000吨/年,氢气含量接近500万标方/年,碳三及重组分总含量超过9000吨/年,这些资源的总价值预计超过5500万元/年。显然,简单焚烧乙烯装置火炬气的处理方式,将造成高附加值资源的严重浪费。
为了实现乙烯装置火炬气的综合利用,必须进行高效合理的分离加工。相比于石油炼制和加工过程中常见的气态混合物体系,乙烯装置火炬气的组成特别复杂,比如,碳二可以进一步细分为乙烷、乙烯以及乙炔,碳三可以细分为丙烷、丙烯、丙炔和丙二烯,碳四可以细分为丁烷、丁烯以及丁二烯,石脑油则涵盖了戊烷、己烷等近十种物质。由于乙烯装置火炬气组成的复杂性,综合利用必须充分考虑多目标回收问题和多技术耦合问题,因此高效分离流程的复杂性大大增加。除此之外,火炬气中的丙炔、丙二烯和丁二烯,具有很高的反应活性,对于压缩、吸附等关键单元操作存在较大的安全隐患,在分离流程的设计过程中必须予以充分考虑,才能保证火炬气综合利用过程的高效安全稳定运行。针对乙烯装置火炬气在多目标分离过程中的上述问题,本发明提出一种耦合集成低压浅冷吸收、氢气膜分离、高压浅冷吸收、轻烃膜分离等单元操作的分离工艺,高效回收氢气、碳二、碳三、碳四以及其他分子量较大的裂解原料。在耦合流程中,低压浅冷吸收系统,可以在压缩机之前深度脱除乙烯装置火炬气中高反应活性的丙炔、丙二烯和丁二烯,保证整个过程的安全性和稳定性;氢气膜分离系统,可以在回收氢气的同时实现轻烃组分的预浓缩;轻烃膜分离系统可以实现低浓度轻烃组分的高效富集;高压浅冷吸收系统可以实现碳二资源的高效回收。本发明提出的以膜为纽带的耦合分离工艺,可以安全稳定地实现乙烯装置火炬气的高效分离和综合利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够安全稳定地实现乙烯装置火炬气高效分离和综合利用的膜耦合分离工艺。该工艺通过低压浅冷吸收、氢气膜分离、高压浅冷吸收、轻烃膜分离等单元操作的耦合集成,将乙烯装置火炬气高效地分离成富氢气、富碳二馏分、富碳四馏分、轻质石脑油以及燃料气,实现各种高附加值资源的综合利用。
本发明的技术方案:
一种综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺,乙烯装置火炬气S-1的压力不超过0.65MPaG,首先进入低压浅冷吸收系统1,吸收操作温度不超过20℃,分离获得富碳四馏分S-2和低压浅冷吸收尾气S-3;低压浅冷吸收尾气S-3中丙炔和丙二烯的总浓度不超过150PPM,进入第一压缩机2,压力升高至1.80MPaG以上,称之为加压吸收尾气S-4,随后进入氢气膜分离系统3,在低压渗透侧获得富氢气S-5,在高压渗余侧获得氢膜尾气S-6;氢膜尾气S-6进入轻烃膜分离系统4,在高压渗余侧获得燃料气S-7,在低压渗透侧获得轻烃富集气S-8;轻烃富集气S-8进入第二压缩机5,增压至2.00MPaG以上,称之为加压轻烃富集气S-9,随后进入高压浅冷吸收系统6,吸收操作温度不超过20℃,分离获得多种产品,包括高压浅冷吸收尾气S-10、富碳二馏分S-11、轻质石脑油S-12和循环吸收剂S-13;高压浅冷吸收尾气S-10与加压吸收尾气S-4合股,随后进入氢气膜分离系统3;循环吸收剂S-13经循环泵7输送至低压浅冷吸收系统1,补充吸收剂的损失;吸收系统的冷量由制冷机组8提供,液态制冷剂S-14从制冷机组8出发,分股后送往低压浅冷吸收系统1和高压浅冷吸收系统6,吸收热量后转化为气态制冷剂S-15,合股后返回制冷机组8,保证两组吸收系统的浅冷操作。
本发明的有益效果是:通过低压浅冷吸收、氢气膜分离、轻烃膜分离、高压浅冷吸收等单元操作的耦合集成,高效地从乙烯装置火炬气中分离出富氢气、富碳二馏分、富碳四馏分和轻质石脑油等高附加值产品,实现资源的综合利用;前置的低压浅冷吸收系统,既可以实现富碳四馏分的高效回收,又可以大幅减少压缩机进料中高活性组分丙炔、丙二烯和丁二烯的含量,保证整个分离过程的安全稳定运行;氢气膜分离在产出富氢气的同时,可以对轻烃进行预浓缩,提高分离效率;轻烃膜分离系统、高压浅冷吸收系统的逐级富集和分离,可以保证高效率、高收率的碳二资源回收。通过本发明提出的膜耦合分离工艺,能够实现乙烯装置火炬气的高效分离和综合利用,氢气收率超过85%,碳二收率超过75%,碳三、碳四的收率超过98%。以50万吨乙烯装置的火炬气为例,基于本发明建立的分离装置,消耗2.5MPaG蒸汽1.78t/h,循环水140t/h,电力361kW,每年预计可产出485万标方富氢气,1658吨富碳二馏分,8912吨富碳四馏分,以及212吨轻质石脑油,每年经济效益超过1000万元。综上所述,本发明提供的综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺,可以安全稳定且高效地实现高附加值资源的综合利用,为乙烯装置创造显著的经济效益。
附图说明
图1是综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺流程简图。
图中:1)低压浅冷吸收系统;2)第一压缩机;3)氢气膜分离系统;4)轻烃膜分离系统;5)第二压缩机;6)高压浅冷吸收系统;7)循环泵;8)制冷机组;S-1乙烯装置火炬气;S-2富碳四馏分;S-3低压浅冷吸收尾气;S-4加压吸收尾气;S-5富氢气;S-6氢膜尾气;S-7燃料气;S-8轻烃富集气;S-9加压轻烃富集气;S-10高压浅冷吸收尾气;S-11富碳二馏分;S-12轻质石脑油;S-13循环吸收剂;S-14液态制冷剂;S-14气态制冷剂。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
实施例1针对某炼化企业50万吨乙烯装置副产的火炬气,主要的裂解原料为石脑油或者轻柴油,火炬气的平均体积流量为2108Nm3/h,平均质量流量为2426kg/h。采用本发明中的综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺,产出富氢气、富碳二馏分、富碳四馏分、轻质石脑油,其中富碳二馏分送往乙烯精馏单元,富碳四馏分送往丁二烯精馏单元。
表2实施例1中关键物流的操作参数及组成
Figure BDA0003496133550000041
乙烯装置火炬气(S-1),平均体积流量为2108Nm3/h,平均质量流量为2426kg/h,操作压力为0.50MPaG,温度为40℃,首先进入低压浅冷吸收系统(1),吸收操作温度10℃,吸收操作压力0.40MPaG,分离获得富碳四馏分(S-2)和低压浅冷吸收尾气(S-3);富碳四馏分(S-2)压力为0.40MPaG,温度为43.2℃,体积流量474Nm3/h,质量流量1116.5kg/h,碳四总质量浓度为86.38wt%,丁二烯浓度为39.68wt%;此外,低压浅冷吸收尾气(S-3)的压力为0.38MPaG,温度为30.7℃,体积流量为1634Nm3/h,氢气浓度为36.93mol%,碳四的总浓度为0.03wt%,丙炔和丙二烯的总浓度不超过150PPM。
低压浅冷吸收尾气(S-3)进入第一压缩机(2),压力升高至1.94MPaG,称之为加压吸收尾气(S-4),随后进入氢气膜分离系统(3),在低压渗透侧获得富氢气(S-5),在高压渗余侧获得氢膜尾气(S-6);富氢气(S-5)的压力为0.30MPaG,温度为40℃,体积流量为607Nm3/h,氢气浓度为85.99mol%;氢膜尾气(S-6)的压力为1.70MPaG,温度为85℃,体积流量为1420Nm3/h,氢气浓度降低至10.48mol%,碳二浓度为13.22mol%。
氢膜尾气(S-6)进入轻烃膜分离系统(4),在高压渗余侧获得燃料气(S-7),在低压渗透侧获得轻烃富集气(S-8);燃料气(S-7)的压力为1.38MPaG,温度为35.6℃,体积流量为856Nm3/h,碳二浓度降低至4.05mol%;轻烃富集气(S-8)的压力为0.15MPaG,温度为37.5℃,体积流量为564Nm3/h,碳二浓度升高至27.17mol%。
表3实施例1中关键物流的操作参数及组成(续表)
Figure BDA0003496133550000051
轻烃富集气(S-8)进入第二压缩机(5),压力升高至2.20MPaG,称之为加压轻烃富集气(S-9),随后进入高压浅冷吸收系统(6),吸收操作温度10℃,操作压力2.00MPaG,分离获得多种产品,包括高压浅冷吸收尾气(S-10)、富碳二馏分(S-11)、轻质石脑油(S-12)和循环吸收剂(S-13);高压浅冷吸收尾气(S-10)的压力为1.98MPaG,温度为30℃,体积流量为393Nm3/h,氢气浓度为17.16mol%;富碳二馏分(S-11)的压力为0.40MPaG,温度为40℃,体积流量164Nm3/h,质量流量207.2kg/h,碳二总质量浓度为76.5wt%,乙烯的质量浓度为63.91wt%;轻质石脑油(S-12)的压力为0.40MPaG,温度为40℃,对应的质量流量25.8kg/h;循环吸收剂(S-13)的压力为0.45MPaG,温度为40℃,质量流量80kg/h。
高压浅冷吸收尾气(S-10)与加压吸收尾气(S-4)合股进入氢气膜分离系统(3);循环吸收剂(S-13)经循环泵(7)输送至低压浅冷吸收系统(1),补充吸收剂的损失;吸收系统的冷量由制冷机组(8)提供,液态制冷剂(S-14)从制冷机组(8)出发,分股后送往低压浅冷吸收系统(1)和高压浅冷吸收系统(6),吸收热量后转化为气态制冷剂(S-15),合股后返回制冷机组(8),保证两组吸收系统的浅冷操作。
采用本发明中的综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺,处理某炼厂50万吨乙烯装置副产的火炬气,消耗2.5MPaG蒸汽1.78t/h,循环水140t/h,电力361kW,每年消耗公用工程605万元;每年产出富氢气485万标方,富碳二馏分1658吨,富碳四馏分8912吨,轻质石脑油212吨,每年经济效益约为1025万元;预计投资回收期为21个月。综上所述,本发明提供的综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺,可以安全稳定且高效地实现高附加值资源的综合利用,为乙烯装置创造显著的经济效益。

Claims (1)

1.一种综合利用乙烯装置火炬气的膜耦合分离工艺,其特征在于,乙烯装置火炬气(S-1)的压力不超过0.65MPaG,首先进入低压浅冷吸收系统(1),吸收操作温度不超过20℃,分离获得富碳四馏分(S-2)和低压浅冷吸收尾气(S-3);低压浅冷吸收尾气(S-3)中丙炔和丙二烯的总浓度不超过150PPM,进入第一压缩机(2),压力升高至1.80MPaG以上,称之为加压吸收尾气(S-4),随后进入氢气膜分离系统(3),在低压渗透侧获得富氢气(S-5),在高压渗余侧获得氢膜尾气(S-6);氢膜尾气(S-6)进入轻烃膜分离系统(4),在高压渗余侧获得燃料气(S-7),在低压渗透侧获得轻烃富集气(S-8);轻烃富集气(S-8)进入第二压缩机(5),增压至2.00MPaG以上,称之为加压轻烃富集气(S-9),随后进入高压浅冷吸收系统(6),吸收操作温度不超过20℃,分离获得多种产品,包括高压浅冷吸收尾气(S-10)、富碳二馏分(S-11)、轻质石脑油(S-12)和循环吸收剂(S-13);高压浅冷吸收尾气(S-10)与加压吸收尾气(S-4)合股,随后进入氢气膜分离系统(3);循环吸收剂(S-13)经循环泵(7)输送至低压浅冷吸收系统(1),补充吸收剂的损失;吸收系统的冷量由制冷机组(8)提供,液态制冷剂(S-14)从制冷机组(8)出发,分股后送往低压浅冷吸收系统(1)和高压浅冷吸收系统(6),吸收热量后转化为气态制冷剂(S-15),合股后返回制冷机组(8),保证两组吸收系统的浅冷操作。
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