膜分技術(shù)在甲醇弛放氣中的應(yīng)用

牛寶玉，閆建國，李 勝，校文超，石文峰

（河南煤業(yè)化工集團(tuán)新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司，河南新鄉(xiāng) 453800）

1 概 況

氫回收裝置是新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司300kt／a甲醇項(xiàng)目所需的設(shè)備單元之一。氫回收裝置是將甲醇弛放氣組分進(jìn)行分離，將其中的大部分氫氣分離出來并回收，送回合成氣壓縮機(jī)作為原料，調(diào)節(jié)合成氣中的氫碳比，其余尾氣送回燃料系統(tǒng)。我公司采用的是美國普里森中空纖維膜分離器（簡稱PRISM）。

公司有6根膜分離器，處理氣量13000m3／h，最大16 000m3／h，中空纖維膜分離的氫氣回收率可達(dá)95%，氫氣純度在90%以上。處理的弛放氣組成見表1。

由表1得知，甲醇弛放氣主要成分是氫氣，回收這部分氣體不但可以改善環(huán)境，而且也是讓有用氣體得到有效利用，因此回收氫氣十分必要。

對(duì)富氫產(chǎn)品氣和非滲透氣體的要求如下。

富氫產(chǎn)品氣壓力 ≥3.4MPa（絕）

非滲透氣壓力 ≥0.5MPa（絕）

滲透氣H2回收率 ≥95%

產(chǎn)品氣中H2含量 ≥90%（H2純度）

產(chǎn)品氣中N2含量 ≤8%

表1 弛放氣組成

2 流程簡述

原料氣經(jīng)水洗脫醇后以6.3MPa的壓力和40℃的溫度進(jìn)入膜分離裝置界區(qū)，氣體的設(shè)計(jì)流量為13 000m3／h。此氣體首先進(jìn)入一氣液分離器，氣液分離器出來的原料氣含有該溫度、組成下的飽和水蒸氣。為避免水蒸氣凝結(jié)，設(shè)有一套管式加熱器，將原料氣加熱至50℃，使原料氣遠(yuǎn)離露點(diǎn)。原料氣進(jìn)入膜分離器，經(jīng)一管道過濾器過濾，再進(jìn)入PRISM（C）膜分離器組（6根X2201A～F）進(jìn)行分離。分離器由兩組串聯(lián)構(gòu)成，每組由3根φ200×3 000mm中空纖維膜分離器組成，采用并聯(lián)形式連接。每個(gè)PRISM（C）膜分離器外型類似一管殼式熱交換器，膜分離器殼體內(nèi)部由成千上萬根中空纖維組成的纖維束組成，類似于管束。原料氣從下端側(cè)面進(jìn)入PRISM（C）膜分離器。由于各種氣體組分在透過中空纖維膜時(shí)的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)不同，不同氣體在膜中的相對(duì)滲透速率不同，各組分中氫氣的相對(duì)滲透速率最快，從而可將氫氣分離提純。在原料氣沿PRISM（C）膜分離器的長度方向流動(dòng)時(shí)，更多的氫氣滲透進(jìn)入中空纖維，在中空纖維芯側(cè)得到壓力為3.4MPa、純度大約90%的氫產(chǎn)品，氫產(chǎn)品返回甲醇合成裝置。在殼程得到一富含惰性氣體的物流，稱為非滲透氣，其壓力由HV－2201控制至0.6MPa后去燃料氣管網(wǎng)。流程示意如圖1。

圖1 膜分離回收氫工藝流程示意

3 主要設(shè)備

（1）加熱器

加熱器（E－2201）為一列管式換熱器。加熱介質(zhì)為0.6MPa的飽和蒸汽，原料氣走管程，蒸汽走殼程，原料氣被加熱到40～70℃。

（2）中空纖維膜分離器

中空纖維膜分離器組（X－2201A、B、C、D、E、F）采用了6根結(jié)構(gòu)相同的φ200×3 000mm膜分離器。膜分離器是本裝置的主體，是核心。膜分離器芯部由數(shù)以萬計(jì)的中空纖維管組成。原料氣由分離器下端側(cè)口進(jìn)入沿纖維束外表面向上流動(dòng)，氣體接觸到中空纖維膜時(shí)便進(jìn)行滲透、溶解、擴(kuò)散、解吸。利用中空纖維膜對(duì)各種氣體的選擇性不同，從而達(dá)到分離的目的。如氫氣在膜表面滲透速率是甲烷、氮?dú)饧皻鍤獾鹊膸资丁錃膺M(jìn)入每根中空纖維管內(nèi)，匯集后從膜分離器上口排出，未滲透的尾氣從膜分離器的下口排出。

4 操作中注意事項(xiàng)

（1）開、停車過程中升壓與降壓必須緩慢操作，嚴(yán)禁壓力突升或突降，氣流速度過大會(huì)沖壞中空纖維膜。

（2）膜分離器無論在開、停狀態(tài)，還是運(yùn)轉(zhuǎn)中，嚴(yán)禁出現(xiàn)反壓。

（3）原料氣加熱升溫，嚴(yán)格控制溫度在40～70℃，不得超過80℃。

（4）對(duì)控制儀表要做到經(jīng)常檢查、維護(hù)，使控制儀表處在正常工作狀態(tài)。

（5）每次停車再開時(shí)，必須要對(duì)分離器V2201進(jìn)行排污，確保進(jìn)入膜分離器的氣體為干凈的氣體。

5 技術(shù)特點(diǎn)

膜分離回收氫氣裝置與其他技術(shù)相比，具有以下顯著的特點(diǎn)。

（1）易于操作。隨時(shí)開停方便，無人操作。

（2）壽命長。超過十年。

（3）易于安裝。占地小，重量輕，易適應(yīng)于小或擁擠的場合。

（4）連續(xù)開工可靠。不受過程條件變化影響，具有耐各種雜質(zhì)的能力。

（5）適應(yīng)范圍寬。能抗許多化學(xué)污染。

（6）維護(hù)方便。膜系統(tǒng)無移動(dòng)部件，無需檢修。

（7）安全可靠。生產(chǎn)中產(chǎn)品不合格時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

6 投資估算及效益分析

該項(xiàng)目總估算值20萬元，其中設(shè)備投資17萬元，土建投資1萬元，其他2萬元。

如果每小時(shí)回收7 200m3氫氣，則每年可回收有效氣體約622×104m3。如果每噸精甲醇耗粗煤氣2 000m3（干基），每噸精甲醇耗原料煤1.4t，每噸粉煤按600元計(jì)，則每年可為企業(yè)增效約186.6萬元。

7 結(jié) 語

膜分離技術(shù)適合我國以煤炭為原料的甲醇合成裝置。我公司自2011年3月試運(yùn)行至今，達(dá)到了設(shè)計(jì)運(yùn)行效果。由于本裝置具有操作簡單、可靠性高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，不僅為企業(yè)節(jié)能減排、降本增效、環(huán)保等提供了強(qiáng)有力的保障，也是企業(yè)長久發(fā)展的必然選擇。