CN117018816B - 一种乙苯脱氢尾气吸脱附苯乙烯及氢气的回收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种乙苯脱氢尾气吸脱附苯乙烯及氢气的回收装置，涉及化工领域，包括：常压吸脱附装置、苯乙烯储罐、混合气缓冲罐、尾气增压机、变压吸附分离装置、解吸气缓冲罐、解吸气混合罐、氢气缓冲罐和氢气储罐；常压吸脱附装置分别与苯乙烯储罐、混合气缓冲罐连接；混合气缓冲罐与尾气增压机连接；变压吸附分离装置分别与尾气增压机、解吸气缓冲罐、氢气缓冲罐连接；解吸气缓冲罐与解吸气混合罐连接；氢气缓冲罐与氢气储罐连接。本发明能够实现节能减排的期望，高效吸附苯乙烯，提高苯乙烯的产率，同时充分提纯得到高纯度氢气，利用储氢技术为氢能源汽车提供帮助，助力新能源产业的发展，燃烧解吸气，降低工厂的供热成本。

Description

一种乙苯脱氢尾气吸脱附苯乙烯及氢气的回收装置
技术领域
本发明涉及化工领域，具体而言，涉及一种乙苯脱氢尾气吸脱附苯乙烯及氢气的回收装置。
背景技术
苯乙烯是最重要的化工基础产品之一，广泛用于生产塑料、树脂和合成橡胶等。目前，我国已成为全球苯乙烯消费增长最快的国家，从苯乙烯产量来看，截至2022年我国苯乙烯产量达到1433.47万吨。据统计，2022年我国苯乙烯总产能达到1759.2万吨，是全球最大的苯乙烯产能国。工业上制苯乙烯往往采用乙苯在大量过热水蒸汽下高温(600-650℃)脱氢，在生产过程中能耗巨大。由于我国乙烯资源严重供不足需，为了能在降低成本提高产业利润的同时减少对环境的污染，除了发展及开辟苯乙烯生产的新材料路线，还有其他方案。考虑到随着国家对节能减排的号召以及新能源汽车的推广应用，氢能汽车的发展日新月异，对氢气需求量越来越大，氢气价格也随之水涨船高。绝大多数化工厂都会副产不少含氢尾气，对这些含氢尾气进行处理得的高纯度氢气有着非常高的经济效益。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的提出一种乙苯脱氢尾气吸脱附苯乙烯及氢气的回收装置，将回收苯乙烯、燃烧解吸气和高纯度氢气的储存相结合，能够实现节能减排的期望，高效吸附苯乙烯，提高苯乙烯的产率，同时充分提纯得到高纯度氢气，利用储氢技术为氢能源汽车提供帮助，助力新能源产业的发展，燃烧解吸气，降低工厂的供热成本。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种乙苯脱氢尾气吸脱附苯乙烯及氢气的回收装置，包括：常压吸脱附装置、苯乙烯储罐、混合气缓冲罐、尾气增压机、变压吸附分离装置、解吸气缓冲罐、解吸气混合罐、氢气缓冲罐和氢气储罐；
所述常压吸脱附装置分别与所述苯乙烯储罐、所述混合气缓冲罐连接；
所述混合气缓冲罐与所述尾气增压机连接；
所述变压吸附分离装置分别与所述尾气增压机、所述解吸气缓冲罐、所述氢气缓冲罐连接；
所述解吸气缓冲罐与所述解吸气混合罐连接；
所述氢气缓冲罐与所述氢气储罐连接。
优选地，所述常压吸脱附装置包括吸附及脱附单元、水循环单元与真空单元；
所述吸附及脱附单元包括引风机、VOCs废气缓冲罐与两个吸附器；
所述的水循环单元设置为两个，所述水循环单元包括冷却器、循环水罐及循环水泵；
所述循环水泵出口与所述吸附器的换热器入口间还串接有汽水混合器，两个所述吸附器的进气口连接所述真空单元。
优选地，所述引风机出口通过第二阀门连接所述VOCs废气缓冲罐入口，所述引风机入口用于通入VOCs废气。
优选地，所述VOCs废气缓冲罐上方出口通过两个第三阀门分别连接两个所述吸附器的进气口；
两个所述吸附器的排气口分别通过两个第九阀门排放。
优选地，所述循环水泵出口连接所述吸附器的换热器入口中，所述吸附器的换热器出口通过第八阀门连接所述循环水罐入口，所述吸附器的换热器出口还通过第四阀门连接所述冷却器入口，所述冷却器出口通过第五阀门连接所述循环水罐入口，所述循环水罐出口连接所述循环水泵入口。
优选地，所述真空单元包括前冷冻器、前气液分离器、真空泵、后冷冻器与后气液分离器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出了一种乙苯脱氢尾气吸脱附苯乙烯及氢气的回收装置，将回收苯乙烯、燃烧解吸气和高纯度氢气的储存相结合，能够实现节能减排的期望，高效吸附苯乙烯，提高苯乙烯的产率，同时充分提纯得到高纯度氢气，利用储氢技术为氢能源汽车提供帮助，助力新能源产业的发展，燃烧解吸气，降低工厂的供热成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的乙苯脱氢尾气吸脱附苯乙烯及氢气的回收装置工作流程图；
图2为本发明中苯乙烯吸附工艺流程图；
图3为本发明所述的真空单元结构示意图；
图4为本发明所述的变压吸附分离装置结构示意图。
图中，1-引风机；2-VOCs废气缓冲罐；3-吸附器；4-冷却器；5-循环水罐；6-循环水泵；7-前冷冻器；8-前气液分离器；9-真空泵；10-后冷冻器；11-后气液分离器。
具体实施方式
下为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
PSA工艺是以多孔性固体物质(吸附剂)内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用在恒温下(一般是环境温度)吸附剂的吸附容量随其分压的增大而增多，当减压或抽空时则气体解吸出来，吸附剂实现再生；原料气压力高有利于PSA吸附氢气的进行，一般适合压力为1.3MPa，但苯乙烯生产中采用的是乙苯负压脱氢工艺，脱氢尾气的压力约43kPa，不能满足PSA工艺需求，因此在通过PSA装置前要对气体进行加压，减少乙苯脱氢尾气中游离水和油对吸附剂及产品氢气纯度的影响；但由于乙苯脱氢尾气中含有苯乙烯，不能直接对尾气进行加压，否则会导致苯乙烯与氢气发生加成反应生成苯乙烷，进而影响氢气纯度。
故在PSA装置之前设置了苯乙烯吸脱附装置，该装置以列管式固定床为主的吸附装置，加热介质在壳程中逆流换热，保证了吸附床层温度维持在最佳的脱附或解析的温度。
乙苯脱氢尾气进入常压吸脱附装置后，其中的苯乙烯被吸附并储存在苯乙烯储罐中，其他混合气体缓冲后再次进入常压吸脱附装置中循环吸收苯乙烯；吸收苯乙烯后的尾气中含H2，CO，N2，O2，CO2等其他气体，将这些气体增压并进入到V-PSA装置中，即变压吸附分离装置，整个操作过程在环境温度下进行，装置内吸附器3所有的压力均衡降都是用于其他吸附器3的压力均衡升，以充分回收将被再生的吸附器3中的氢气，经该装置得到的氢气纯度极高，可达99.99％，回收的氢气经缓冲存储，制成氢燃料电池并用于氢能源汽车，其他解吸气经缓冲用于重新燃烧为原反应供能。
本发明提供了一种乙苯脱氢尾气吸脱附苯乙烯及氢气的回收装置，包括：常压吸脱附装置、苯乙烯储罐、混合气缓冲罐、尾气增压机、变压吸附分离装置、解吸气缓冲罐、解吸气混合罐、氢气缓冲罐和氢气储罐；
本发明中变压吸附分离装置为V-PSA装置，所述V-PSA装置采用真空再生-变压吸附工艺(V-PSA)；
其中，PSA工艺是以多孔性固体物质(吸附剂)内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用在恒温下(一般是环境温度)吸附剂的吸附容量随其分压的增大而增多，当减压或抽空时则气体解吸出来，吸附剂实现再生；原料气压力高有利于吸附的进行，但苯乙烯生产中采用的是乙苯负压脱氢工艺，脱氢尾气的压力约43kPa，不能满足PSA工艺需求，故本发明采用真空再生-变压吸附工艺(V-PSA)，V是表示脱附的时候是要抽真空的。
所述常压吸脱附装置分别与所述苯乙烯储罐、所述混合气缓冲罐连接；
所述混合气缓冲罐与所述尾气增压机连接；
所述变压吸附分离装置分别与所述尾气增压机、所述解吸气缓冲罐、所述氢气缓冲罐连接；
所述解吸气缓冲罐与所述解吸气混合罐连接；
所述氢气缓冲罐与所述氢气储罐连接。
进一步地，所述苯乙烯常压吸脱附装置包括吸附及脱附单元、水循环单元与真空单元；
所述吸附及脱附单元包括引风机1、VOCs废气缓冲罐2与两个吸附器3，其中VOCs为挥发性有机物；
所述的水循环单元设置为两个，所述水循环单元包括冷却器4、循环水罐5及循环水泵6；
所述循环水泵6出口与所述吸附器3的换热器入口间还串接有汽水混合器，两个所述吸附器3的进气口连接所述真空单元，通过多处阀的连接，控制吸附及脱附回，保证了吸附床层温度维持在最佳的脱附或解析的温度，水循环的方式，避免采用蒸汽直接加热所引起的局部温度过高的现象。
进一步地，所述引风机1出口通过第二阀门连接所述VOCs废气缓冲罐2入口，所述引风机1入口用于通入VOCs废气。
进一步地，所述VOCs废气缓冲罐2上方出口通过两个第三阀门分别连接两个所述吸附器3的进气口，两个所述吸附器3的排气口分别通过两个第九阀门排放。
进一步地，所述循环水泵6出口连接所述吸附器3的换热器入口中，所述吸附器3的换热器出口通过第八阀门连接所述循环水罐5入口，所述吸附器3的换热器出口还通过第四阀门连接所述冷却器4入口，所述冷却器4出口通过第五阀门连接所述循环水罐5入口，所述循环水罐5出口连接所述循环水泵6入口。
进一步地，所述真空单元包括前冷冻器7、前气液分离器8、真空泵9、后冷冻器10与后气液分离器11。
某公司400kt/a苯乙烯装置乙苯脱氢尾气流量为15520.74m3/h，考虑到操作弹性，V-PSA装置处理能力按20000m3/h设计，产品氢气纯度按不小于99.99％设计，乙苯脱氢尾气、回收氢气及解吸气的设计组成见表1。
表1原料气及产品气体中的不同组分体积比
V-PSA装置正常工况下采用10-1-6/VP，即总塔数为10塔，1塔进料吸附，同时另外9塔分别处于再生的不同步骤，8次均压、真空再生工艺。每个塔经历吸附(A)、一次均压降(E1D)、二次均压降(E2D)、三次均压降(E3D)、四次均压降(E4D)、五次均压降(E5D)、六次均压降(E6D)逆放(D)抽空(P)、六次均压升(E6R)、五次均压升(E5R)、四次均压升(E4R)、三次均压升(E3R)、二次均压升(E2R)、一次均压升(E1R)最终升压(FR)等步骤。产品氧气可在2.3MPa下外送至氧气管网，解吸气经稳压后输出界区。
本发明在常压吸脱附装置和V-PSA装置两个核心工艺设计的基础上，通过尾气增压机进行连接，原料气压力高有利于吸附的进行，但苯乙烯生产中采用的是乙苯负压脱氢工艺，脱氢尾气的压力约43kPa，不能满足V-PSA工艺需求，需设置尾气增压机(B6302)先将原料气进行加压后经过V-PSA，在综合考虑原料气压力、吸附压力、原料组成、产品纯度、再生方式等因素的基础上，采用1塔进料、6次均压吸附流程的真空再生-变压吸附工艺(V-PSA)，整个操作过程在环境温度下进行，装置内吸附器3所有的压力均衡降都是用于其他吸附器3的压力均衡升，以充分回收将被再生的吸附器3中的氢气，依靠压力的变化来实现吸附和再生，再生速度快能耗低，整个吸附分离循环过程全程实现自动化操作。
理论设计计算：50万吨/年苯乙烯生产装置，平均每年排放尾气约22600吨，其中氢气质量占比超百分之五十，具有极高的回收利用价值。
表2脱氢尾气各组分详情表
与将脱氢尾气作为燃料相比，某公司的氢气不含税价格为16000元/吨，燃料气的不含税价格为2500元/吨，按相应的价格和产量数据计算，对乙苯脱氢尾气进行氢气回收后的增值可达14041.17万元/年，具体计算见表3。
表3乙苯脱氢尾气进行氢气回收后的增值计算
另外运用上述工艺依据下表可见生产每吨高纯度氢气的能量消耗，每年产出高质量氢气，设备运行一年成本约为2774.16万元。
表4乙苯脱氢尾气进行氢气回收能量消耗计算
另外，实施氢气回收，需增加固定投资3000万元，按残值5％，15年折旧计算，每年需另计提折旧费190万元，综合来看，在满负荷生产条件下每年可回收氢气10399.2t，而每年所需要的能耗和折旧费用仅2964.16万元，氢气回收成本为2850.37元/吨，扣除原料及生产成本后，每年可相应增值17461.21万元。
工作原理及性能分析：
常压吸脱附装置原理：由于本尾气系统介质量较小，浓度较高，因此本工艺采用冷冻+吸附方式回收具有价值的苯乙烯，具体工艺过程为：
(1)尾气收集：在风机作用下将装车中的尾气抽至回收系统；为防止抽负压，设置有负压补偿阀，防止将装车端抽至负压过低(98KPaABs即启动)；
(2)冷冻：尾气通入冷冻器，经2-4℃冷媒冷凝后回收部分苯乙烯；
(3)程序控制吸附-脱附(PTSA)：将冷冻后的尾气送入不燃型疏水吸附剂吸附床工艺，采用专用吸附剂、在低浓度具有良好的吸附性能，具有富裕的冗余设计，保证出口尾气排放达标，为保证在夏季高温期间实现吸附温度不超过20℃采用冷媒循环；
(4)真空尾气回收：为防止真空温升使得苯乙烯聚合，因此在进入真空泵9前接入冷媒冷却降温至5～8℃，真空尾气经过再次冷凝后返回风机。
该设备采用列管式固定床或径向绕管固定床使得加热介质有充分换热面积，从而保证解析彻底，循环水系统保证了吸附过程床层温度的恒定，且带走吸附产生的吸附热，另外，保证了床层温度不受大气环境的影响，并且采用的吸附床换热效率高，在兼顾吸附器3的床层压力降较低情况下，实现解吸升温和降温待用过程中的高换热效率需要。
V-PSA装置原理：PSA工艺是以多孔性固体物质(吸附剂)内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用在恒温下(一般是环境温度)吸附剂的吸附容量随其分压的增大而增多，当减压或抽空时则气体解吸出来，吸附剂实现再生，原料气压力高有利于吸附的进行，但苯乙烯生产中采用的是乙苯负压脱氢工艺，脱氢尾气的压力约43kPa，不能满足PSA工艺需求，故本发明采用真空再生-变压吸附工艺(V-PSA)；
节能减排效益分析，每年生产高纯氢气10400.86吨，可支持108辆氢能源电车行驶一年(每年每辆车行驶1000公里)，相当于节约汽油60741.05吨，减少碳排放1872.15吨，于此同时，产生的解吸气可以用于工厂供热，可每年节约天然气约5.3吨，减少碳排放14.8吨，且每年可节约成本25000元。
表5燃油车与氢能源电车碳排放对比
本产品巧妙地将回收苯乙烯、燃烧解吸气和高纯度氢气的储存相结合，能够实现节能减排的期望；利用一种新式多组分VOCs废气吸附及脱附回收装置，结合V-PSA设备，高效吸附苯乙烯，提高苯乙烯的产率；同时充分提纯得到高纯度氢气，利用储氢技术为氢能源汽车提供帮助，助力新能源产业的发展；燃烧解吸气，降低工厂的供热成本。
应用分析：目前现有技术采用先对低压脱氢尾气进行增压、然后采用真空再生-变压吸附工艺(V-PSA工艺)对乙苯脱氢尾气中氢气进行回收的技术方案并实现了工业化应用，针对目前现状，本发明设计的一套新的工艺生产流程，将乙苯高温脱氢制苯乙烯的工业尾气通入一种新式多组分VOCs废气吸附及脱附回收装置，该设备可以充分吸附尾气中的苯乙烯，通过回收该部分的苯乙烯提高产物产率，减少苯乙烯对大气环境的污染，提高公司效益；同时排除含有H2、CO2、N2、CO的混合气体；本发明改进V-PSA工艺并利用储罐以及提纯的方式将H2的纯度提高至99.99％，得到的高纯度H2，可制成储氢电池，用于氢能源电车；排出不含氢气的解吸气，将其燃烧用于工厂生产供热，本流程对原有工艺进行改进，并利用新的多组分VOCs废气吸附及脱附回收装置，充分利用产生的废气，具有很好的节能效果。
对本次工艺流程进行总体核算，以某公司50万吨/乙苯为例，这套全新的工艺流程每年可增值1.404亿，解吸气燃烧供热工厂每年可节约2.527万元，利用本发明回收苯乙烯可为公司节约19.14万元，直接减排和间接减排CO2大约1886.7吨，改进市场现有的V-PSA装置得到高纯度氢气，并将高纯度氢气制成氢能源电车，大约可为104辆汽车行驶一年；根据现有的资料显示同等条件下的工厂所能获得的利润为2400万，根据本发明最新的工艺流程，利润将达到五倍以上，同时响应了国家号召，减少污染气体的排放量以及提高新能源的使用，有助于推动新能源的开发以及研究，同时可以延长现有产业链，与新能源公司开展合作，易于扩展其它应用功能，利润丰厚，可操作性强，发展前景广阔。
本发明将乙苯高温脱氢制苯乙烯的工业尾气通入一种新式多组分VOCs废气吸附及脱附回收装置，可以吸收尾气中的苯乙烯，排出含有H2、CO2、N2、CO的混合气体；再将混合气体通过PSA工艺，得到高纯度H2，可制成储氢电池并用于后续氢能产业；排出的解吸气，将其燃烧用于生产供热；经过核算，这套全新的工艺流程每年可增值1.404亿，解吸气燃烧供热工厂每年可节约2.527万元，直接减排和间接减排CO2大约1886.7吨，将高纯度氢气制成氢能源电车，大约可为104辆汽车行驶一年；根据现有的资料显示，同等条件下的工厂所能获得的利润为2400万；而本发明最新的工艺流程，利润将达到五倍以上，大幅增加利润的同时响应了国家号召，减少污染气体的排放量以及提高新能源的使用，有助于推动新能源的开发以及研究，同时可以延长现有产业链，与新能源公司开展合作，前途广阔。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种乙苯脱氢尾气吸脱附苯乙烯及氢气的回收装置，其特征在于，包括：常压吸脱附装置、苯乙烯储罐、混合气缓冲罐、尾气增压机、变压吸附分离装置、解吸气缓冲罐、解吸气混合罐、氢气缓冲罐和氢气储罐；
所述常压吸脱附装置分别与所述苯乙烯储罐、所述混合气缓冲罐连接；
所述混合气缓冲罐与所述尾气增压机连接；
所述变压吸附分离装置分别与所述尾气增压机、所述解吸气缓冲罐、所述氢气缓冲罐连接；
所述解吸气缓冲罐与所述解吸气混合罐连接；
所述氢气缓冲罐与所述氢气储罐连接；
所述常压吸脱附装置包括吸附及脱附单元、水循环单元与真空单元；
所述吸附脱附单元包括引风机、VOCs废气缓冲罐、吸附器；
所述水循环单元包括冷却器、循环水罐、循环水泵；
所述循环水泵出口与所述吸附器的换热器入口间还串接有汽水混合器，两个所述吸附器的进气口连接所述真空单元；
所述真空单元包括前冷冻器、前气液分离器、真空泵、后冷冻器与后气液分离器；
所述常压吸脱附装置以列管式固定床为主的吸附装置，加热介质在壳程中逆流换热，保证了吸附床层温度维持在最佳的脱附或解析的温度；
所述引风机出口通过第二阀门连接所述VOCs废气缓冲罐入口，所述引风机入口用于通入VOCs废气；所述VOCs废气缓冲罐上方出口通过两个第三阀门分别连接两个所述吸附器的进气口；两个所述吸附器的排气口分别通过两个第九阀门排放；所述循环水泵出口连接所述吸附器的换热器入口中，所述吸附器的换热器出口通过第八阀门连接所述循环水罐入口，所述吸附器的换热器出口还通过第四阀门连接所述冷却器入口，所述冷却器出口通过第五阀门连接所述循环水罐入口，所述循环水罐出口连接所述循环水泵入口；
所述变压吸附分离装置为V-PSA装置，所述V-PSA装置采用真空再生-变压吸附工艺(V-PSA)，V表示脱附的时候要抽真空；
所述真空再生-变压吸附工艺是在综合考虑原料气压力、吸附压力、原料组成、产品纯度、再生方式等因素的基础上，采用1塔进料、6次均压吸附，整个操作过程在环境温度下进行，装置内吸附器(3)所有的压力均衡降都是用于其他吸附器(3)的压力均衡升，以充分回收将被再生的吸附器(3)中的氢气，依靠压力的变化来实现吸附和再生，再生速度快能耗低，整个吸附分离循环过程全程实现自动化操作。
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