新型膜回收系统在聚乙烯装置的应用

郭 磊，张 毅，褚伟华

（中国石油独山子石化公司乙烯厂，新疆 独山子 833600）

独山子石化公司乙烯厂聚乙烯装置于1992年开始建设，1995年建成投产。2002年完成扩建，装置年生产能力由12万t跃升至22万t，采用的是英国BP公司Innovene气相流化床技术，共有两条生产线。

一、聚乙烯装置气相流化床技术存在的问题

聚乙烯装置聚合工艺流程如图1所示。

聚合反应在D400反应器中连续进行，流化气经过冷却器初级冷却后，由流化气压缩机C400增压循环，经过最终冷却器冷却后进入反应器底部。C400为气相法聚乙烯流化床反应器提供动力，补偿循环气流通过流化床及冷却器所产生的压降，并保证一定的气速使反应器床层处于流化状态。聚合物抽出后，进入一级脱气器分离聚合物与流化气，分离后的流化气，经循环气压缩机C470增压后回收再利用。

图1 聚乙烯装置聚合工艺流程简图

BP工艺聚乙烯聚合过程中单体的单程转换率仅有4%，未反应的单体经循环气压缩机C470送到反应器内，进一步反应。在此循环过程中为了防止惰性气体的累积，将一部分循环气作为弛放气排放至火炬烧掉，此股气中含有近40%的乙烯，排放量约150kg/h，造成了大量乙烯单体损失。

鉴于上述气相流化床技术存在的问题，为节能减排，石化公司决定新增一种新型膜回收系统，通过膜回收系统可以将弛放气中85%以上的乙烯回收，形成的富乙烯气流返回到压缩机入口，然后进入反应器进一步反应。从而达到减少排放及乙烯的回收利用。

二、膜法VOC回收技术设备工作原理

1.膜技术

膜是指分隔两相界面，并以特定形式限制和传递各种化学物质的阻挡层。可以是均相或非均相的、对称或非对称的、固体或液体的、中性或电荷的，厚度可从μm到mm。

膜分离技术是基于化学物质通过膜的传递速度的不同，以膜两侧的化学势梯度为推动力，从而使不同化学物质通过膜而达到分离效果。

聚乙烯装置乙烯回收主要是将原循环排放气中的氮气排放掉，使乙烯提浓后返回反应进料单元。

膜法VOC回收技术的基本原理是利用了特殊的高分子膜对VOC的优先透过性的特点，让VOC如乙烯、丙烯、丁烯、重烃等与惰性气体如氮气、氧气、氢气、氩气等的混合气在一定的压差推动下，经选择性透过膜，使混合气中的VOC优先透过膜得以富集回收，而氮气、氩气等惰性气体则被选择性的截留，从而达到分离的目的。

2.膜结构

如图2所示，有机蒸汽膜是3层结构的高分子复合膜，表面为无缺陷的橡胶态分离层，中间位是耐溶剂的微孔支撑层，提供所需的机械强度，无纺布为膜的载体层。具有耐有机溶剂、耐高压、分离性能高等优点。

图2 有机蒸汽分离膜结构

3.膜组件形式

聚乙烯装置膜法VOC回收技术使用是板框式分离膜(图3)，制成的膜组件如图4所示，原料气进入到组件内，在类似串联的膜片间进行流动。有机蒸气分子优先透过膜，在膜的渗透侧富集，从组件的中心管汇集流出，氮气等小分子气体从尾气排出。从膜组件的外表看，筒体上有1个原料气进气口和1个是渗透气出口及1个尾气出口，渗透气汇集到总线回收，尾气汇集到火炬线排放。

图3 板框式分离膜

图4 板框式膜组件

三、聚乙烯装置膜法VOC回收技术性能指标

1.膜法VOC回收技术基础数据的采集

聚乙烯装置膜法VOC回收技术系统的设计，首先需要对生产不同牌号时排放的弛放气体和压缩机C470气体进行分析，分析结果如表1、2、3所示。

2.膜法VOC回收技术回收率R的计算

表1 弛放气数据 kg/h

表2 气体组成 %

表3 压缩机C470设计参数

根据膜法VOC回收技术设备工作原理，原料气回收率可表示为：

式中：V1——原料气量，m3/h；

V3——尾气量，m3/h；

C1-1——原料气C2H4浓度%(V)；

C3-1——尾气C2H4浓度%(V)。

3.膜法VOC回收技术乙烯回收系统性能指标

排放气经过膜回收系统处理后，可以达到的指标为C2H4(乙烯)回收率＞85%。

四、聚乙烯装置膜法VOC回收技术设计流程

如图5所示，聚乙烯装置膜法VOC回收技术设计流程主要分为原料气预处理部分及膜分离部分。

图5 聚乙烯装置膜法VOC回收技术设计流程

循环排放气经调节阀FV476A进入膜回收系统，称为膜回收系统的原料气。原料气先经聚结过滤器F001，脱除气体中的固体杂质和过饱和液滴。聚结过滤器的入口和出口设有差压变送器PDIAS001显示气体通过过滤器的压差，由此判断过滤器滤芯阻塞情况，当运行差压达到50kPa时预警，当运行差压达到80kPa时，报警提示需要停车更换滤芯。聚结过滤器上安装有带现场指示的磁翻板液位计LG001，并带有液位变送器，聚结过滤器的液位LICS001可以在控制室集中显示，当液位达到一定的高度，聚结过滤器液位10%，排液阀LV001会自动打开，防止液体进入膜组件而损坏膜组件，低于一定液位时，LV001自动关闭。经过滤预处理后的原料气进入分离器M001～M005。在一定的压差推动下，膜组件的渗透侧得到富集的乙烯气体亦称渗透气返回压缩机入口，未渗透气体亦称尾气经控制阀PV001，去装置原火炬系统。

聚乙烯装置膜法VOC回收系统设计两个流量计：指示原料气的FIQ001流量计和指示尾气的FIQ002流量计。

聚乙烯装置膜法VOC回收系统在膜前设有一块温度变送器，用于显示膜分离进气温度TIAS001，这个温度参与进气流量FIQ001的温度补偿。其中当进气温度达到50℃时，报警原料气温度高报。达到或高于55℃时报警显示“膜前温度过高”并执行联锁停车程序。

聚乙烯装置膜法VOC回收系统设有2块压力变送器，分别显示膜分离系统进气压力PIC001、尾气压力PI002。这2个压力分别参与进气流量FIQ001和尾气流量FIQ002的压力补偿。

五、聚乙烯装置膜法VOC回收技术主要设备性能指标

为防止原料气中所含的杂质对膜分离性能的影响，原料气先经过聚结过滤器除去其中所含的液滴和固体粉尘。F001 聚结过滤器采用美国PALL 公司生产的型号为CC3LG02H13的滤芯，其滤芯为树脂粘结的有褶皱滤芯结构，被无纺聚合物包围支撑，能把小的液滴聚结为大的液滴。气体在压力推动下穿过几层过滤介质，每层的平均孔径逐渐增大。当液滴向开孔流动时，液体趋于集结、凝聚效应，在滤芯外侧汇集成液膜，在重力作用下，落入集液槽。气体随聚结过滤器滤芯最外层的开孔型防护散套排出，CC3LG02H13滤芯性能指标见表4。

膜分离器是膜法VOC回收技术最重要的设备，其性能指标见表5。

表4 CC3LG02H13滤芯设备性能指标

表5 EUVOC-E/N-10膜分离器性能指标

六、结语

2012年聚乙烯装置两条生产线进行了膜法VOC回收系统设计，投用后每条生产线每天回收乙烯约1.2t，1年回收乙烯约438t，按7 600元/t计算，每条生产线年节约资金约332万元。

聚乙烯装置膜法VOC回收系统具有如下优点。

(1)操作安全、可靠、简便。

(2)设备简单，无需传动、转动部件，运行费用低。

(3)占地面积小，模块化安装。

(4)单元采用DCS控制。

(5)对原装置无影响，无二次污染，环保节能。

(6)乙烯回收率高，可达85%～90%。

(7)投资回收期短。

(8)新型膜回收系统在回收乙烯同时可回收绝大部分丁烯和戊烷。

(9)选用德国进口有机蒸汽膜，具有经过实践证明的较长的膜寿命。