UNIPOL工藝聚乙烯裝置尾氣回收技術改造和應用效果

王勇　崔寶靜　唐雷　劉玲　張哲誠　劉左煥　張姝婉

摘????? 要：UNIPOL工藝聚乙烯裝置在日常的生產活動中，由脫氣倉對黏附在樹脂上的烴類進行脫除，由脫氣倉排出的氣體進入到排放氣壓縮機系統，經過二級壓縮冷卻，將部分烴類氣體回收，但其中仍含有烴類氣體未能完全回收，而且由于這部分烴類導致以氮氣為主的這部分氣體只能排放至火炬而無法回收利用，通過尾氣回收技術改造，可以進一步回收烴類氣體，并將氮氣提純回收利用。

關? 鍵? 詞：聚乙烯;尾氣;膜回收;深冷回收

中圖分類號：TQ03-39?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）06-1237-05

Technical Renovation and Application Effect of Tail Gas Recovery System for Polyethylene Plant With UNIPOL Process

WANG Yong， CHU Bao-jing， TANG Lei， LIU Ling， ZHANG Zhe-cheng， LIU Zuo-huan， ZHANG Shu-wan

（PetroChina Fushun Petrochemical Company， Fushun Liaoning 113004， China）

Abstract： The hydrocarbons adhering to the resin are removed by degassing warehouse in the operation of the UNIPOL process polyethylene device， the exhaust gas from the degassing warehouse is transported into the air compressor system， part of hydrocarbon gas is recovered through the secondary compression and cooling. But hydrocarbon gas cannot be completely recycled， and unrecovered hydrocarbon gas causes that nitrogen has to discharge to the torch， and cannot be recycled. Through technology transformation of the tail gas recovery system， more of the hydrocarbon gases can be recovered， and nitrogen can also be recycled.

Key words： Polyethylene; Tail gas; Membrane recycling; Cryogenic recovery

本文研究的技術改造對象為UNIPOL生產工藝的聚乙烯裝置。裝置的排放氣回收單元通過二級壓縮和冰機冷卻，將氣體壓力提升至1.4 MPa，溫度降至-10 ℃，使烴類液化來實現對1-丁烯/1-己烯和異戊烷進行回收，但是由于溫度和壓力的限制，不能回收排放氣中的乙烯組分，也不能完全回收1-丁烯/1-己烯和異戊烷組分，而且這些烴類影響氮氣的純度，導致氮氣不能回收只能排放至火炬。

1? 裝置技術改造

1.1? 尾氣操作條件及組成

在裝置生產常規產品工況下，尾氣的流量、溫度、壓力及組成見表1。本套氣相法聚乙烯裝置主要是在1-丁烯工況下生產DJM-1820基礎樹脂，所以1-丁烯的數據比較有代表性，之后尾氣回收的投用效果也是以1-丁烯工況進行分析。尾氣的組成將直接影響選取的技術方案。

1.2? 技術改造目標

本次技術改造的基本目標是保證排放尾氣中總烴的回收率大于80%，乙烯的回收率大于80%;尾氣的氮氣回收率大于75%，壓力不低于 200 kPa，體積分數大于95%，其中氫氣小于1.5%;返回乙烯裂解裝置的物料壓力為 200～250 kPa，其中氮氣體積分數小于7%。

1.3 ?技術方案的選取

本改造屬于尾氣回收類項目，常用的尾氣回收工藝主要有：膜分離技術、壓縮冷卻技術、壓縮冷凝技術、膨脹自深冷分離技術和以上多組技術組合工藝。

技術運用原則：

1）當尾氣中氫氣體積分數高于3%時，需采用氫膜;

2）當尾氣中有C₁₀ 及以上的烴類時，需采用壓縮冷卻;

3）當尾氣中有C₄～C₉ 烴類時，需采用壓縮冷凝;

4）當尾氣中氮氣體積分數大于43%時，需采用雙膨脹自深冷分離;

5）當尾氣中氮氣體積分數小于40%時，需采用膜分離;

6）當尾氣中氮氣體積分數介于40%～43%之間時，采用雙膨脹自深冷分離或膜分離均可。

氫氣的體積分數在排放氣中并不高，但是若沒有氫膜，由于對尾氣系統進行改造后，氫氣會不斷在系統內富積，最終導致進入深冷系統的氫氣體積分數超標，由于氫氣與一般氣體不同，氫氣具有節流溫度升高的特性，會導致深冷系統工作受到影響，所以需要采用氫氣膜。尾氣中氮氣的體積分數接近90%，需要采用膨脹自深冷分離。綜上分析，最終選取了膜回收和深冷分離結合的方案。

1.4 ?尾氣回收系統能耗

尾氣回收系統工作所需消耗見表2。

但在實際運行中，本裝置低壓蒸汽凝液溫度一直偏高，且這部分熱量并不能進行回收，屬于廢熱，這部分凝液使用凝液泵輸送至界區，由公司熱電廠接收，處理后作為脫鹽水使用，熱電廠多次反映我廠凝液溫度偏高，通過此次改造同時解決了此項問題。凝液泵通過回流控制液位方式進行輸送凝液，所以這部分作為熱源的凝液，只是降低了凝液泵的回流量，也不會過多的增加電能消耗，所以尾氣回收系統能耗實際僅為少量氮氣和儀表風。

2? 裝置尾氣回收改造機理

2.1? 膜回收

膜分離技術是利用混合氣體各組分在高分子聚合物薄膜上溶解、擴散速度的差異，在膜兩側壓差的作用下，導致各組分滲透通過膜的速度不同而實現混合氣體的分離^[1，6]。本裝置采用VOC膜和氫膜進行兩次分離，VOC膜回收烴類氣體，而通過氫膜將富含氫氣的組分排放至低壓火炬。

2.2? 深冷回收

對裝置進行改造除使用膜回收機理外，還采用深冷回收技術，該技術是通過高壓氣體通過透平做功，泄壓降溫，將高壓高溫氣體轉化成低壓低溫氣體。

2.3? 變壓吸附技術（PSA）

變壓吸附技術的基本原理是在不同的組分和不同的分壓條件下，吸附劑對它們的吸附容量、吸附速度、吸附推動力不同，即對不同氣體有著選擇吸附性的特點。在升壓的過程中對混合氣體中的某些組分大量吸附從而完成分離，降壓時這些組分會大量脫附從而實現對吸附劑的再生^[2-5]。針對實際情況本次改造并未采取此項技術。

3? 工藝流程

工藝流程如圖1所示，原去往火炬的排放尾氣首先經過新增的緩沖罐（205-C-5801），由于排放氣回收系統為PDS系統提供輸送氣導致排放的尾氣流量不穩定，故引入此罐保證進入尾氣回收系統的氣體壓力和流量穩定。物流首先進入膜分離撬塊（SK-Ⅰ），經過膜前加熱器（205-E-5802），用接近100 ℃蒸汽凝液進行加熱，將物流的溫度加熱到25 ℃，進入到VOC 膜分離器（205-S-5803）。VOC 膜的特性為優先透過乙烯、1-丁烯（1-己烯）/異戊烷等烴類氣體，經過VOC 膜分離器后，由于膜的優先通過烴類特點，通過VOC膜分離器的物流（111）富含烴類，被輸送回到排放氣回收單元的低壓集液器儲罐（C-5202）入口，沒有通過VOC膜分離器的物流（112）進入到氫氣膜分離器（205-S-5804）。氫氣膜的特性為優先透過氫氣，經過H₂ 膜分離器后，由于氫氣膜優先通過氫氣的特點，通過氫氣膜的物流（113）富含氫氣，直接被排放到裝置的低壓火炬，通過此排放量來調節尾氣回收系統內的氫氣含量，在生產不同指數、氫氣含量不同的產品牌號時，可通過調整此股物流的排放來保證進入到深冷撬塊的氫氣含量不超出要求。沒有通過氫氣膜分離器的物流（114）含氫氣量較低，可以直接進入到深冷撬塊（SK-Ⅱ）。

進入到深冷撬塊（SK-Ⅱ）的物流（115）壓力為1.2 MPa左右，首先進入換熱器（205-E-5807）同系統后續產生的三股冷物料進行換熱后溫度達到-119 ℃左右，由于低溫此時此股物流由氣體變為氣液混合，這時進入到高壓分液罐（205-C-5808）進行氣液分離，液相中含有以氮氣為主的不凝氣體，所以高壓分液罐的液相部分進入到低溫閃蒸罐（205-C-5809）進行閃蒸，將大部分不凝氣體與烴類液體分離，然后這部分液相烴類作為前面所說的三股冷物料之一跟物流（115）通過換熱器（205-E-5807）進行換熱回收冷量。經過換熱后的這股物料（116）溫度在-20 ℃左右，由液相變為氣液混合，進入膜分離撬塊（SK-Ⅰ）的低壓分液罐（205-C-5805）進行氣液分離，205-C-5805 罐頂物流（104）為回收的含少量氮氣的乙烯，返回乙烯裂解裝置，205-C-5805 罐底的液相物流（117）主要含有1-丁烯（1-己烯）、異戊烷和物流（111）匯合為回收單體物流（102），返回到原有的低壓集液器（C-5202）入口。由高壓分液罐（205-C-5808）頂部出來的氣相物流作為之前所說三股冷物料之一進入換熱器（205-E-5807），回收冷量后溫度約為-78 ℃，進入膨脹機（KT-5X10A/B）膨脹制冷，壓力降至0.2 MPa，溫度降至-127 ℃左右，然后與閃蒸罐（205-C-5809）的氣相物流匯合作為之前所說的三股冷物料之一，這股冷物料為系統冷量的根本來源，之前所說的另兩股冷物料的冷量追根溯源也是來自這里。換熱后該物流再經過膨脹機加壓變成物流（119），物流（103）作為回收氮氣送至脫氣倉（C-5009），物流（120）排至低壓火炬，通過控制物流（120）的排放量，可以調節送脫氣倉物流（103）的氮氣濃度，排放量越小回收氮氣量越多，但是回收氮氣的濃度會降低;排放量越大回收氮氣量越少，但是回收氮氣濃度會有所提升。要優化排放量操作，從而保證回收氮氣合格的前提下盡量多回收氮氣。當深冷的溫度達不到設定值時，從裝置補充一股高壓氮氣（107）到等熵膨脹無動力深冷分離回收撬塊（SK-Ⅱ）前，強化膨脹機的制冷效果，從而保證單體的回收率。低壓分液罐（205-C-5805）分離出的富烴物流經C-5210 回收返回反應系統，由于該富烴物流中含有丁烷，丁烷在反應系統中會產生累積而影響反應，故流程中設計了205-E-5806 烴液加熱器，當系統中無法承受累積的丁烷時，該加熱器投用，將SK-Ⅱ撬塊回收的烴液加熱氣化，返回乙烯裂解裝置。