CN202569906U - 炼油厂干气变压吸附回收乙烯和氢气的装置 - Google Patents

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刘涛
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Abstract

本实用新型公开了炼油厂干气变压吸附回收乙烯和氢气的装置。包括变压吸附Ⅰ和变压吸附Ⅱ两个部分,变压吸附Ⅰ包括:第一吸附塔、第二吸附塔、第三吸附塔、第四吸附塔、第五吸附塔、第一真空缓冲罐、第一逆放罐、废气缓冲罐;变压吸附Ⅱ包括:第六吸附塔、第七吸附塔、第八吸附塔、第九吸附塔、第十吸附塔、第二逆放罐、混合罐、氢气缓冲罐、第二真空缓冲罐、混合罐。以处理量为1000Nm3/h炼厂气为例,可得90.71%的乙烯纯度和90%的乙烯回收率,可得99.99%的氢气纯度和95%的氢气回收率。

Description

炼油厂干气变压吸附回收乙烯和氢气的装置
技术领域
本实用新型涉及变压吸附炼油厂干气中同时回收乙烯和氢气的装置。
背景技术
炼油厂干气主要来自原油二次加工,含有氢气和甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等大量轻质烃类资源。乙烯工业的发展标志着一个国家工业发展水平,而氢气是能源系统中重要的能源,它可减轻环境污染,减少温室气体排放。随着我国炼油工业原油深度加工的迅速发展,副产物催化裂化干气也在大量增加,如果能够有效地回收利用炼油厂干气,则在提高炼厂的综合效益的同时,还将为社会带来巨大的经济效益和环境效益。
目前,从炼油厂干气中提取乙烯的方法主要有深冷分离法、吸收分离法、水合物分离法、膜分离法和变压吸附分离法。其中深冷分离法和吸收分离法技术已经相当的成熟,在回收工艺中取得了良好的经济效益。水合物分离法和变压吸附分离处于研究和试验中,预期会有较好的市场前景。
深冷分离法是利用原料中各组分相对挥发度的差异,通过气体透平膨胀制冷,在低温下将干气各组分按工艺要求冷凝下来,其后用精馏法将各组分按其蒸发温度逐一分离。吸附分离法主要是利用炼油厂干气各组分在吸附剂中溶解度不同来进行分离。水合物分离法是利用干气中气体与水进行水合反应,生成含有乙烯组分的水合物,再将吸收液在减压或加热的条件下逐级分馏,释放出水合物溶液中的乙烯,使其与其他组分分离。膜分离法是利用气体各组分在膜中渗透速率的差异进行分离的,广泛用于合成氨弛放气、加氢尾气、乙烯尾气和炼厂干气中氢气的回收,膜分离法在乙烯提取方面还处在研究阶段,目前用于乙烯分离的膜主要有平片膜和中空纤维膜。由于采用膜分离方法需要把原料压缩到5~6MPa,因而适用于压力高的原料气。
变压吸附(Pressure Swing Adsorption, 简称PSA)分离技术是一种循环过程,利用吸附剂对混合气中各组分吸附选择性的不同,以及在加压下吸附,减压或抽真空下脱附的原理来完成混合气体的分离,一般在常温、低于2MPa压力下进行,既可对混合气体本体进行分离取得纯组分,也可对不纯气体脱除以达到精制气体的目的,另外还可以将原料气中预处理与原料气的本体吸附分离同时进行,从而简化了工艺流程。采用变压吸附法进行分离,操作简单、能耗较低,自动化程度高,且吸附剂使用寿命长,预处理要求不高,操作弹性大,适用于各种规模,只是目前工业上单纯用一套变压吸附回收乙烯所得乙烯纯度较低,因此单纯的变压吸附回收乙烯工艺需要配备进一步精制的装置。
与变压吸附相比,其他几种分离方法存在投资高,能耗较高,运行成本高,提取出来的乙烯中硫含量高。美国UOP公司提出用变压吸附法从催化裂化尾气中回收和浓缩乙烯等重组分,同时分离出氢气和甲烷等轻组分,选用的吸附剂有硅胶、活性炭、活性氧化铝、分子筛及其混合物,吸附压力为0.34-3.52MPa,脱附压力约为0.34MPa,经一步变压吸附分离后所得乙烯纯度仅为20.59%。美国麦吉尔公司采用固定床吸附法回收炼厂干气中乙烯取得成功,在25℃、乙烯分压为33.33kPa的条件下,若采用铜-氧化铝系吸附剂,乙烯回收率大于90%,纯度大于70%。专利ZL200510118241.7中四川天一科技股份有限公司以分子筛、硅胶、活性炭、活性氧化铝按1:4:2:1的高度比混合装填作吸附剂,采用两步变压吸附回收混合气中吸附相产品,将C2及C2以上烃类回收率由80%提高至86%。同时也有很多专利提及到用变压吸附回收氢气,如美国专利US20080105122采用三层吸附剂提纯含氢气体(包括炼厂干气)中的氢气。从吸附柱入口至出口,吸附剂依次为:活性炭、13X分子筛和5A分子筛层,若气体含水,可在吸附塔入口和活性炭层之间加一吸附剂层(比如硅胶、分子筛、活性氧化铝),在2MPa下吸附分离,最终得到氢气回收率86%左右。德国Linde公司的七床变压吸附提氢技术,采用氧化铝、硅胶、活性碳、分子筛,中间由金属网隔开,产品氢纯度约为99.99%,设计回收率为88%。
前面文献提到的是利用变压吸附分别回收氢气和甲烷,但也有变压吸附同时回收炼厂干气中的乙烯和氢气的工艺,这部分专利偏少,且没有工业化。ZL97106365.6公开了一种从含烃类混合气中提纯氢气、甲烷、乙烯、乙烷及丙烯的方法。该法采用吸收法脱除酸性气体,吸附法从塔顶和塔底分别富集产出两股气体,再分别通过变压吸附法和深冷法分离得到所要纯组分,所得氢气、丙烯、乙烯纯度分别为99.99%、99.6%、99.95%,回收率分别为:95%、95%、98%。该工艺涉及吸收、干燥、吸附、深冷等工艺,比较复杂。四川达科特化工有限公司采用一套真空变温吸附、两套变压吸附系统回收炼厂干气中乙烯及氢气,同时将顺放气和置换气经混合加压后作为原料气循环使用,该工艺最终乙烯纯度>85%,收率>95%;氢气纯度>99.9%,收率>90%。新疆新峰股份有限公司开发了一种回收炼厂气中的乙烯和氢气的工艺,该工艺采用一套变温吸附干燥装置,两套变压吸附分离装置回收炼厂干气中的乙烯和氢气。所得乙烯纯度≥77%,回收率≥85%;氢气纯度≥87%,回收率≥80%。
对于之前变压吸附提取乙烯的研究,由于吸附剂的选择和参数的设定欠佳,从炼油厂干气中提取的乙烯纯度偏低。虽然利用变压吸附工艺回收氢气的纯度较高,但只是回收到干气中的单一组分,没考虑到乙烯,在经济效益方面有待改进。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点,提供一种更高效且同时回收乙烯和氢气的方法。其特点是该工艺由吸附剂选择、回收氢气和乙烯两部分组成。本实用新型根据炼油干气中不同气体在不同的吸附剂上测试其吸附速率和吸附量,从而确定最佳参数下的吸附剂,同时对工艺流程进行优化,得到一种利用变压吸附同时回收炼厂干气中乙烯和氢气的新技术。
本实用新型另一目的在于提供一种实现高效回收乙烯及氢气的装置。
本实用新型的优点在于:(1)同时从炼厂干气中回收乙烯和氢气,提高了对干气的利用率。(2)优化了吸附剂的选择,有效的降低了变压吸附的操作温度,降低对设备的要求,同时也降低了造价。(3)将整个工艺分为两步变压吸附法串联操作,有效提高了产品的纯度。
本实用新型目的通过以下技术方案来实现: 
炼油厂干气变压吸附回收乙烯和氢气的装置,包括变压吸附Ⅰ和变压吸附Ⅱ两个部分,变压吸附Ⅰ包括:第一吸附塔1、第二吸附塔2、第三吸附塔3、第四吸附塔4、第五吸附塔5、第一真空缓冲罐11、第一逆放罐17、废气缓冲罐15;变压吸附Ⅱ包括:第六吸附塔6、第七吸附塔7、第八吸附塔8、第九吸附塔9、第十吸附塔10、第二逆放罐12、混合罐14、氢气缓冲罐16和第二真空缓冲罐13;变压吸附Ⅰ中的每个吸附塔底部均连接有四条并联管路:管路一连接原料气;管路二与氢气缓冲罐16相连;管路三依次与真空泵组1402和混合罐14进口相连;管路四依次与第一逆放罐17、手动阀1001、第一真空缓冲罐11和真空泵控制阀(1101,1102)相连,之后管路四与管路三汇合成一条管路与真空泵组1402和混合罐14进口相连;混合罐14的出口连接两条支路:一条通往输出,另一条连接到氢气缓冲罐16;每个吸附塔底的并联管路起点均设有程控阀,变压吸附Ⅰ中的每个吸附塔的塔顶连接有并联的管路:连接到外界的管路;与废气缓冲罐15相连的管路;两条并联的总干路;每个吸附塔顶的并联管路起点均设有程控阀;
变压吸附Ⅱ中的每个吸附塔底部均连接有并联的管路:管路一与废气缓冲罐15相连;管路二与氢气缓冲罐16相连;管路三依次与真空泵组1401和混合罐14进口相连,管路四依次与第二逆放罐12、手动阀1201和第二真空缓冲罐13、真空泵控制阀(1301,1302)相连,之后管路四与管路三汇合成一条管路与真空泵组1402和混合罐14进口相连;每个吸附塔底的并联管路起点均设有程控阀,变压吸附Ⅱ中的每个吸附塔塔顶连接有并联的管路:连接到外界的管路;两条并联的总干路;每个吸附塔顶的并联管路起点均设有程控阀。
所述第一吸附塔1、第二吸附塔2、第三吸附塔3、第四吸附塔4和第五吸附塔5中装有13X分子筛;所述第六吸附塔6、第七吸附塔7、第八吸附塔8、第九吸附塔9和第十吸附塔10装有活性炭。
本实用新型相对于现有技术具有的优点及有益效果:
(1)该系统添加了变压吸附提取氢气装置,是一种同时回收氢气和乙烯的新工艺,而且选择高效活性炭使得氢气纯度更高;
(2)本实用新型将整个工艺分成了回收乙烯和回收氢气的两个部分,通过吸附剂的选择和参数的最优化设定,提高了产品气的纯度,同时也降低了成本造价。
附图说明
图1为本实用新型装置的结构示意图。
图中:第一吸附塔1、第二吸附塔2、第三吸附塔3、第四吸附塔4、第五吸附塔5、第一真空缓冲罐11、第一逆放罐17、废气缓冲罐15;变压吸附Ⅱ包括:第六吸附塔6、第七吸附塔7、第八吸附塔8、第九吸附塔9、第十吸附塔10、第二逆放罐12、混合罐14、氢气缓冲罐16、第二真空缓冲罐13、混合罐14。
具体实施方式
实施例
本实用新型炼油厂干气变压吸附回收乙烯和氢气的装置如图1所示,包括包括变压吸附Ⅰ和变压吸附Ⅱ两个部分,变压吸附Ⅰ包括:第一吸附塔1、第二吸附塔2、第三吸附塔3、第四吸附塔4、第五吸附塔5、第一真空缓冲罐11、第一逆放罐17、废气缓冲罐15;变压吸附Ⅱ包括:第六吸附塔6、第七吸附塔7、第八吸附塔8、第九吸附塔9、第十吸附塔10、第二逆放罐12、混合罐14、氢气缓冲罐16和第二真空缓冲罐13;变压吸附Ⅰ中的每个吸附塔底部均连接有四条并联管路:管路一连接原料气;管路二与氢气缓冲罐16相连;管路三依次与真空泵组1402和混合罐14进口相连;管路四依次与第一逆放罐17、手动阀1001、第一真空缓冲罐11和真空泵控制阀(1101,1102)相连,之后管路四与管路三汇合成一条管路与真空泵组1402和混合罐14进口相连;混合罐14的出口连接两条支路:一条通往输出,另一条连接到氢气缓冲罐16;每个吸附塔底的并联管路起点均设有程控阀,变压吸附Ⅰ中的每个吸附塔的塔顶连接有并联的管路:连接到外界的管路;与废气缓冲罐15相连的管路;两条并联的总干路;每个吸附塔顶的并联管路起点均设有程控阀;
与变压吸附Ⅰ中的每个吸附塔的塔顶相连的两条并联的总干路,每一吸附塔再连接到总干路,每一吸附塔连接到总干路上的管路上设有程控阀,第一吸附塔1通过第一程控阀103控制与第一条总干路上其他吸附塔的连接,通过第二程控阀102控制与另一条总干路其他吸附塔的连接。
变压吸附Ⅱ中的每个吸附塔底部均连接有并联的管路:管路一与废气缓冲罐15相连;管路二与氢气缓冲罐16相连;管路三依次与真空泵组1401和混合罐14进口相连,管路四依次与第二逆放罐12、手动阀1201和第二真空缓冲罐13、真空泵控制阀(1301,1302)相连,之后管路四与管路三汇合成一条管路与真空泵组1402和混合罐14进口相连;每个吸附塔底的并联管路起点均设有程控阀,变压吸附Ⅱ中的每个吸附塔塔顶连接有并联的管路:连接到外界的管路;两条并联的总干路;每个吸附塔顶的并联管路起点均设有程控阀。
所述第一吸附塔1、第二吸附塔2、第三吸附塔3、第四吸附塔4和第五吸附塔5中装有13X分子筛;所述第六吸附塔6、第七吸附塔7、第八吸附塔8、第九吸附塔9和第十吸附塔10装有活性炭。
采用甲烷、乙烯两种气体为原料,活性炭、5A分子筛和13X分子筛分别作吸附剂,先对吸附剂进行活化,设定不同水浴锅的温度开始实验,先真空解吸,再从0.5~5.5MPa压力范围内充压,进入吸附,之后重复真空解压至吸附过程。实验采用全自动程序控制,数据采集器通过压力传感器和温度传感器实时记录吸附过程的温度和压力,而通过不同时间记录下的吸附罐实时压力,反映相关气体的吸附速率,从而确定吸附所需时间。由于活性炭具有较高的吸附量,13X具有较好的选择性,选用13X分子筛为炼厂干气回收乙烯用吸附剂,以活性炭为炼厂干气回收氢气用吸附剂,吸附时间在200s左右。同时抽真空至完全解吸、充压、吸附和向大气解吸一系列操作,完成后重复充压操作,确定解吸时间为200s。对于处理量为1000Nm3/h炼厂气,13X分子筛为炼厂干气回收乙烯用吸附剂,操作温度为35℃,经“吸附(A)—均压降(ED)—置换(RP)—逆放(D)—抽真空(V)—均压升(ER)”六步操作后,得到产品乙烯和塔顶含氢混合气,抽真空解吸至0.01MPa,每个塔的工艺时序如表1所示。
稳定运行后,以第一吸附塔1为例,叙述变压吸附Ⅰ工序的各个步骤:
吸附:开启程控阀101和105,来自界区外的炼厂干气作为原料气进入吸附塔1,在床层内吸附剂(13X分子筛)对甲烷、乙烯进行吸附,而氢气,二氧化碳等不易吸附组分作为吸附废气通过程控阀101自吸附塔顶部排出。当达到吸附时间后,关闭阀门101和105,终止吸附,此时原料气进入已完成升压后的第二吸附塔2进行吸附。
均压降:开启程控阀103和303,完成吸附后的第一吸附塔1与将进行均压升的第三吸附塔3(表1所示)进行均压,当两个吸附塔压力基本平衡后,关闭阀门103、303,完成第一吸附塔1的均压降。
置换:开启程控阀104和106,来自氢气缓冲罐16中的第一阶段的产品气进入第一吸附塔1,对完成吸附步骤的吸附床进行置换,以提高吸附相组分的含量。被置换出的杂质及部分氢气作为置换废气通过阀104自第一吸附塔1顶部排出,进入置换废气缓冲罐15,作为变压吸附Ⅱ的原料气。置换时间到后,关闭阀门104和106,终止置换。
逆放:开启程控阀107,完成置换步骤的吸附床排出吸附相组分,降低吸附塔1的压力,逆放气经阀门107进入第一逆放罐10,再经过手动调节阀1001、第一真空缓冲罐11,真空泵控制阀(1101、1102)、真空泵组1402进入混合罐14,当第一吸附塔1压力降至常压后,关闭阀门107,逆放完成。
抽空:开启程控阀108,通过真空泵组1402对逆放后的吸附床进行抽真空,真空泵组1402抽出的气体与逆放气混合,一部分作为产品气经产品气压缩机组1601加压后输出,另一部分作为置换气经置换气压缩机组1602加压后返回系统。抽空进一步降低第一吸附塔1内的压力,使吸附在吸附剂中的吸附相产品充分解吸,获得吸附相产品乙烯,收集气体,完成吸附剂再生。抽空完成,关闭阀108.
均压升:开启阀102 和402,第四吸附塔4中气体进入第一吸附塔1,完成吸附的第四吸附塔4和完成抽真空的第一吸附塔1进行压力均衡,两塔压力基本相等时,关闭102 和402,完成一个循环。
回收乙烯操作压力为0.2~0.5MPa,在4.07~4.57t吸附剂用量情况下可得90.71%的乙烯纯度和90%的乙烯回收率,此时产率为64.05~71.85Nm3产品气/(t吸附剂                                                
Figure 956884DEST_PATH_IMAGE001
h)。以活性炭为炼厂干气回收氢气用吸附剂,操作温度为35℃,经“吸附(A)—均压降(ED)—置换(RP)—逆放(D)—抽真空(V)—均压升(ER)”六步操作后,得到产品氢气,抽真空解吸至0.01MPa,每个塔的工艺时序如表2所示,
以变压吸附塔6为例,叙述变压吸附Ⅱ工序的各个步骤:
吸附:开启程控阀601和604,来自变压吸附Ⅰ的置换废气通过废气缓冲罐15经阀604进入第六吸附塔6,在床层内吸附剂(活性炭)对氢气进行吸附,而二氧化碳等不易吸附组分作为吸附废气通过阀门601自吸附塔顶部排出。当达到吸附时间后,关闭阀门601和604,终止吸附,此时置换废气进入已完成升压后的第七吸附塔7进行吸附。
均压降:开启程控阀602和802,完成吸附后的第六吸附塔6与完成抽真空后的第八吸附塔8进行均压,当两个吸附塔压力基本平衡后,关闭阀门602,完成第六吸附塔6的均压降。
置换:开启程控阀605和601,来自氢气缓冲罐16中的第二阶段的产品气进入第六吸附塔6,对完成吸附步骤的吸附床进行置换,以提高吸附相组分的含量。被置换出的杂质及部分氢气、乙烯作为置换废气通过阀601自第六吸附塔6顶部排出。置换时间到后,关闭阀门606和601,终止置换。
逆放:开启程控阀606,完成置换步骤的吸附床排出吸附相组分,降低第六吸附塔6的压力。逆放气经阀门606进入第二逆放罐12,在经过手动调节阀1201、第二真空缓冲罐13,程控阀1301、1302、真空泵组1401进入混合罐14.当第六吸附塔6压力降至常压后,关闭阀门606,逆放完成。
抽空:开启程控阀607、同时开启阀1301,通过真空泵组1401对逆放后的吸附床进行抽空,真空泵1401抽出的气体与逆放气混合,一部分作为产品气经产品气压缩机组1601加压后输出,另一部分作为置换气经置换气压缩机组1602加压后返回系统。抽空进行到360s时开启阀1302,抽空进一步降低第六吸附塔6内的压力,使吸附在吸附剂中的吸附相产品充分解吸,获得吸附相产品氢气,完成吸附剂再生。抽空完成,关闭阀607、1301和1302.
均压升:开启阀603和903,第九吸附塔9中气体进入第六吸附塔6,完成吸附的第九吸附塔9和完成抽真空的第六吸附塔6进行压力均衡,两塔压力基本相等时,关闭603和903,完成一个循环。
回收氢气操作压力为1.5~2MPa,在7.86~9.98t吸附剂用量情况下可得99.99%的氢气纯度和95%的氢气回收率,此时产率为40.23~51.05Nm3产品气/(t吸附剂
Figure 289776DEST_PATH_IMAGE001
h)。
表1
Figure 976585DEST_PATH_IMAGE003
表2  
Figure 736730DEST_PATH_IMAGE004

Claims (2)

1.炼油厂干气变压吸附回收乙烯和氢气的装置,其特征在于,包括变压吸附Ⅰ和变压吸附Ⅱ两个部分,变压吸附Ⅰ包括:第一吸附塔(1)、第二吸附塔(2)、第三吸附塔(3)、第四吸附塔(4)、第五吸附塔(5)、第一真空缓冲罐(11)、第一逆放罐(17)、废气缓冲罐(15);变压吸附Ⅱ包括:第六吸附塔(6)、第七吸附塔(7)、第八吸附塔(8)、第九吸附塔(9)、第十吸附塔(10)、第二逆放罐(12)、混合罐(14)、氢气缓冲罐(16)和第二真空缓冲罐(13);变压吸附Ⅰ中的每个吸附塔底部均连接有四条并联管路:管路一连接原料气;管路二与氢气缓冲罐(16)相连;管路三依次与真空泵组(1402)和混合罐(14)进口相连;管路四依次与第一逆放罐(17)、手动阀(1001)、第一真空缓冲罐(11)和真空泵控制阀(1101,1102)相连,之后管路四与管路三汇合成一条管路与真空泵组(1402)和混合罐(14)进口相连;混合罐(14)的出口连接两条支路:一条通往输出,另一条连接到氢气缓冲罐(16);每个吸附塔底的并联管路起点均设有程控阀,变压吸附Ⅰ中的每个吸附塔的塔顶连接有并联的管路:连接到外界的管路;与废气缓冲罐(15)相连的管路;两条并联的总干路;每个吸附塔顶的并联管路起点均设有程控阀;
变压吸附Ⅱ中的每个吸附塔底部均连接有并联的管路:管路一与废气缓冲罐(15)相连;管路二与氢气缓冲罐(16)相连;管路三依次与真空泵组(1401)和混合罐(14)进口相连,管路四依次与第二逆放罐(12)、手动阀1201和第二真空缓冲罐(13)、真空泵控制阀(1301,1302)相连,之后管路四与管路三汇合成一条管路与真空泵组(1402)和混合罐(14)进口相连;每个吸附塔底的并联管路起点均设有程控阀,变压吸附Ⅱ中的每个吸附塔塔顶连接有并联的管路:连接到外界的管路;两条并联的总干路;每个吸附塔顶的并联管路起点均设有程控阀。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第一吸附塔(1)、第二吸附塔(2)、第三吸附塔(3)、第四吸附塔(4)和第五吸附塔(5)中装有13X分子筛;所述第六吸附塔(6)、第七吸附塔(7)、第八吸附塔(8)、第九吸附塔(9)和第十吸附塔(10)装有活性炭。
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