多股煉廠氣分組分梯級回收流程的研究

多股煉廠氣分組分梯級回收流程的研究石油加工過程中,3-8%的原油被轉化為煉廠氣,絕大部分被用作燃料,大量氫氣、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯和丁烷等高價值組分沒有得到合理利用。充分利用煉廠氣資源,是高效利用石油的重要途徑,其關鍵在于各種高價值組分的提純與分離。由于煉廠氣組成的復雜性,單一技術普遍存在適應范圍窄、目標單一、回收率低、單產(chǎn)能耗高等缺點,因此,多技術集成回收工藝已成為煉廠氣綜合利用的關鍵。相應地,集成工藝的設計優(yōu)化,對降低能耗、提高目標回收率和產(chǎn)品質量,都至關重要。對此,本論文以煉廠氣綜合回收利用的兩大關鍵——氫氣提純和輕烴脫甲烷為依托,在深入研究單股煉廠氣分離技術和石油煉制工藝需求的基礎上,提出分離任務與分離技術匹配及過程效能分析,通過分離序列設計以及單元操作條件優(yōu)化,將分離目標物分階段梯級分離或提濃,并搭配合適的分離技術。一方面提高氫氣回收率和產(chǎn)品純度,另一方面降低輕烴回收能耗、提高輕烴回收率。在分項研究的基礎上,從某煉廠實際需求出發(fā),按照梯級分離原則,開發(fā)出聯(lián)產(chǎn)氫氣、乙烷、LPG和石腦油的分組分梯級回收工藝,實現(xiàn)了煉廠氣高價值物質的分組分精細化回收。傳統(tǒng)的能效分析手段不夠全面,本文同時考慮分離體系與外界交換的的能量和分離技術所帶來的能量損失,建立了新的能量分析方法,定義了分離流程的效能比,作為能量利用效率的判據(jù),得到了分離過程能耗與產(chǎn)品回收量間關系的定量表示方法。以某廠加氫裂化低分脫硫氣中H2回收過程為例,進行了單一分離技術和梯級分離技術新舊分析方法的對比,表明新的能量分析方法可以更準確地考察分離過程的能量變化。對不同分離技術和不同分離流程的效能比進行比較,表明：當回收氫濃度要求不高(97-99%)時,單獨采用變壓吸附(PSA)或膜分離流程都可以滿足產(chǎn)品分離要求,PSA流程的效能比較膜分離流程提高了28%；當回收氫濃度要求較高(99.9%)時,單一分離技術無法同時滿足分離要求,需采用膜分離和PSA的耦合流程,隨著氫氣收率的增加,膜分離流程能耗逐步增加,PSA能耗逐步減小,因此,膜分離效能比基本穩(wěn)定,PSA效能比隨收率增加而增加,通過膜分離先將原料提濃后,再進入PSA有利于整體效能比的提高。膜分離/PSA梯級提純流程較PSA/膜分離梯級提純流程提高了40%。石油加工過程副產(chǎn)大量含氫尾氣,氫氣回收是煉廠氣綜合利用的重點。針對現(xiàn)有PSA和膜分離的耦合流程往往只關注氫氣回收率,而忽略氫氣純度這一關鍵問題,對分離序列、PSA操作條件和膜分離操作條件進行優(yōu)化和調整,總體上,對于氫含量為62.57%的制氫混合氣,PSA/膜分離氫氣梯級提純流程和膜分離/PSA氫氣梯級提純流程,都能實現(xiàn)高純度、高收率的氫氣回收；在保證高純度(≥99.9%)的前提下,PSA/膜分離氫氣梯級提純流程的氫氣回收率約為94%,而膜分離/PSA氫氣梯級提純流程由于先使用膜分離技術對原料中的氫氣進行了預提濃,提高了PSA高純度回收時的氫氣收率,使得系統(tǒng)總的氫氣回收率達到了97%以上。該流程在浙江某煉廠推廣實施,對VPSA氫氣提純工藝進行改造,氫氣純度從原流程的99.5%提高到了99.9%,氫氣收率提高了7%,當原VPSA系統(tǒng)某一或某幾臺吸附塔故障時,通過操作參數(shù)的調整,改造后的系統(tǒng)仍能維持回收效果不變,提高了流程的靈活性,投資回收期僅8個月。對煉廠氣進行氫回收之后,將甲烷及其他不凝組分從高價值的輕烴中分離出來,是煉廠氣分組分回收的另一關鍵。針對現(xiàn)有脫甲烷流程普遍存在的制冷消耗大、壓縮功耗高等問題,提高塔頂冷凝溫度,同時在塔頂冷凝之后引入聚酰亞胺膜分離單元,通過深度脫氫減少不凝氣量,同時引入硅橡膠膜分離單元,富集輕烴減少燃料氣中外排輕烴量和脫甲烷操作的能耗。對設計的低溫精餾-雙膜耦合流程進行模擬優(yōu)化,與現(xiàn)有的低溫精餾過程、膜分離過程、低溫精餾/單膜耦合流程相比,在保證分離精度相同(塔釜中甲烷的摩爾分數(shù)不高于1ppm、燃料氣中輕烴的摩爾分數(shù)不高于4%)的條件下,低溫精餾-雙膜耦合流程可將塔頂冷凝溫度提高10℃以上,壓縮機負荷最多可減少87%,有效降低了輕烴回收過程的能耗。此外,通過合理利用輕烴回收過程的“雙向富集”效應,引入的聚酰亞胺膜分離單元可產(chǎn)出濃度不低于85%的氫氣,有效提高了分離過程的能源和資源利用率。采用精餾-聚酰亞胺膜-硅橡膠膜分離流程對山東某煉廠高壓脫甲烷塔進行了技術改造升級的可研設計,在保證分離精度的條件下,分離過程的總能耗較改造前降低了18%,并副產(chǎn)300Nm3/h的85mo1%氫氣,項目投資回收期僅13個月?，F(xiàn)有煉廠氣分離技術缺乏對分離過程每一分離階段的效能分析,各技術間未能形成合理的梯級搭配,資源和能源利用效率偏低。針對該問題,以某廠多股煉廠氣為例,借助效能分析,選擇不同提濃階段分離過程效能比最高的分離技術,將膜分離與變壓吸附、低溫冷凝、精餾等技術進行梯級搭配,開發(fā)出聯(lián)產(chǎn)氫氣、乙烷、LPG及石腦油的梯級分離流程,氫氣收率達到了98.25%,乙烷收率98.32%,輕烴收率99.97%,石腦油收率99.98%,不但實現(xiàn)了煉廠氣的高效回收,而且還可以根據(jù)現(xiàn)場需要,根據(jù)生產(chǎn)裝置對產(chǎn)品濃度、壓力等的不同需要,分離產(chǎn)品按照不同的