CN109970029A - 一种膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附氢气提纯工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附氢气提纯工艺，属于石油化工领域。该工艺在变压吸附装置的预处理系统中引入有机蒸汽膜分离单元，高效深度脱除碳五及以上烃类重组分，含量降至0.3vol％以下，改善吸附剂再生条件，延长吸附剂使用寿命、提高装置的长期运行稳定性；在后处理系统中引入氢气膜分离单元，进一步回收有机蒸汽膜渗透气和变压吸附尾气中的低浓度氢气，使燃料气氢含量小于15vol％，氢气总收率超过95％。通过延长吸附剂寿命、提高氢气回收率，膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附提纯工艺，氢气分离提纯成本比传统吸附工艺可降低10～20％。
Description
技术领域
本发明涉及一种膜分离强化的高含氢(超过75vol％)炼厂气变压吸附氢气提纯工艺，属于石油化工领域。该工艺在变压吸附装置的预处理系统中引入有机蒸汽膜分离单元，高效深度脱除碳五及以上烃类重组分，改善吸附剂再生条件，延长吸附剂使用寿命、提高吸附装置的长期运行稳定性；在后处理系统中引入氢气膜分离单元，进一步回收有机蒸汽膜渗透气和变压吸附尾气中的低浓度氢气。通过延长吸附剂使用寿命、提高氢气回收率，膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附提纯工艺具有更低的氢气分离提纯成本。
背景技术
原油劣质化(高酸、高硫、重质)越来越严重、燃料产品清洁性要求越来越高，是全球炼化行业近年来一直面对的两大挑战。为了应对这些挑战，在炼油过程中越来越广泛地采用加氢技术，比如加氢裂化、渣油加氢、煤柴油加氢、汽油加氢、加氢脱硫、加氢饱和等。按现阶段全球炼油平均水平核算，将原油加工成合格的炼化产品的氢气消耗水平约为200Nm3/t原油。制氢成本已经不可避免地成为炼化企业仅次于原油的第二大成本支出。与此同时，炼化过程也副产大量高含氢炼厂气，比如，催化重整尾气的氢含量超过90vol％，柴油加氢尾气的氢含量可达到88vol％，渣油加氢低分气的氢含量可达到80vol％，加氢裂化低分气的氢含量可达到75vol％。鉴于现代化炼油过程对氢气的大规模消耗，高效低成本地回收炼厂气中的氢气，已经成为炼化企业大幅降低炼油成本、提高生产竞争力的重要途径。
变压吸附是目前以高含氢炼厂气为原料分离提纯氢气的主要手段，大多数情况下可以获得氢气浓度超过99vol％的产品。变压吸附最典型的应用是催化重整尾气的分离提纯，已经成为大多数炼化企业获得氢气的标准配置和主要来源。近年来，国内许多炼化企业也逐步将柴油加氢、汽油加氢、蜡油加氢、渣油加氢和加氢裂化等装置副产的高含氢炼厂气作为变压吸附的原料，经济效益非常可观。然而，变压吸附装置在加工高含氢炼厂气时，经常面临两个关键瓶颈：1)炼厂气中含有较多的碳五及以上的烃类重组分，被吸附后再生脱附困难，长期积累容易导致吸附剂失效，使用寿命短，显著增加吸附装置的运行维护成本；2)变压吸附尾气中含有大量氢气，其含量一般超过50vol％，在吸附剂性能衰减时甚至超过65vol％。由于上述原因，采用变压吸附从高含氢炼厂气中分离提纯氢气的成本较高。以催化重整副产尾气的分离提出为例，折算的氢气分离成本超过0.10kgEO/Nm3氢气。综上所述，高含氢炼厂气变压吸附氢气提纯装置改进的关键之一是如何延长吸附剂使用寿命、提高氢气回收率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附氢气提纯工艺。该工艺在变压吸附装置的预处理系统中引入有机蒸汽膜分离单元，利用膜的选择性渗透，使碳五及以上烃类重组分的含量降至0.3vol％以下，延长吸附剂的使用寿命、提高吸附装置的长期运行稳定性，与此同时，在变压吸附装置的后处理系统中引入氢气膜分离单元，进一步回收有机蒸汽膜渗透气和变压吸附尾气中的低浓度氢气，使燃料气中氢气的含量不超过15vol％。
本发明的技术方案：
一种膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附氢气提纯工艺，
根据组成和压力将高含氢炼厂气分为四类：
第一高含氢炼厂气S-1，压力<2.5MPaG，碳五及以上烃类重组分含量≥1.0vol％；
第二高含氢炼厂气S-2，压力≥2.5MPaG，碳五及以上烃类重组分含量≥1.0vol％；
第三高含氢炼厂气S-3，压力<2.5MPaG，碳五及以上烃类重组分含量<1.0vol％；
第四高含氢炼厂气S-4，压力≥2.5MPaG，碳五及以上烃类重组分含量<1.0vol％；
第一高含氢炼厂气S-1经第一压缩机1增压至2.5MPaG后，与第二高含氢炼厂气S-2合股，然后依次经过第一冷却器2、第一换热器3和第二冷却器4，再进入第一分液罐5，在第一分液罐5罐底部采出第一凝液S-5，在第一分液罐5罐顶部采出第一不凝气S-6，第一不凝气S-6进入第一换热器3；
第三高含氢炼厂气S-3经第二压缩机6增压至2.5MPaG后，与第四高含氢炼厂气S-4合股，然后经过第三冷却器7冷却，再与经过第一换热器3的第一不凝气S-6合股，随后进入有机蒸汽膜分离单元8；
在有机蒸汽膜分离单元8的高压侧，获得第一渗余气S-7，碳五及以上烃类重组分的含量降低至0.3vol％以下；在有机蒸汽膜分离单元8的低压侧，获得第一渗透气S-8，碳五及以上烃类重组分被浓缩；
第一渗余气S-7与增压/冷却的第二渗透气S-14合股，成为变压吸附装置9的原料气，分离得到氢气浓度高于99vol％的产品氢气S-9以及变压吸附尾气S-10；
第一渗透气S-8和变压吸附尾气S-10合股进入第三压缩机10，然后依次经过第二换热器11、第四冷却器12和第五冷却器13，再进入第二分液罐14，在第二分液罐14罐底部采出第二凝液S-11，在第二分液罐14罐顶部采出第二不凝气S-12，第二不凝气S-12进入第二换热器11；
经第二换热器11预热后的第二不凝气S-12，作为氢气膜分离单元15的原料气，分离得到高压的第二渗余气S-13，氢气含量低于15vol％，以及压力较低的第二渗透气S-14，氢气再次富集至75vol％以上；
第二渗透气S-14依次经过第六冷却器16、第四压缩机17和第七冷却器18后，与第一渗余气S-7合股，作为变压吸附装置9的原料气。
所述有机蒸汽膜分离单元8是由优先透过烃类、水和二氧化碳等可凝性分子的高分子膜组件构成的装置，采用的膜组件可以是中空纤维结构、板框式结构和螺旋卷式结构。
所述氢气膜分离单元15是由优先透过的高分子膜组件构成的装置，采用的膜组件可以是中空纤维结构、板框式结构和螺旋卷式结构。
本发明的有益效果是：在变压吸附装置的预处理系统中，通过压缩冷凝和有机蒸汽膜分离单元实现高含氢炼厂气中碳五及以上烃类重组分的深度脱除，进入变压吸附装置的浓度低于0.3vol％，因此可以显著改善吸附剂再生脱附条件，提高吸附装置长期运行稳定性，延长吸附剂使用寿命，与正常工艺相比延长2～3年；在变压吸附装置的后处理系统中，通过氢气膜分离单元进一步回收有机蒸汽膜渗透气和变压吸附尾气中的低浓度氢气，使燃料气的氢含量低于15vol％，氢气总收率超过95％。总体上，膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附氢气提纯工艺，氢气分离提纯成本可降低10～20％。
附图说明
图1是膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附氢气提纯工艺的原则流程图。
图中：1第一压缩机；2第一冷却器；3第一换热器；4第二冷却器；5第一分液罐；6第二压缩机；7第三冷却器；8有机蒸汽膜分离单元；9变压吸附装置；10第三压缩机；11第二换热器；12第四冷却器；13第五冷却器；14第二分液罐；15氢气膜分离单元；16第六冷却器；17第四压缩机；18第七冷却器；S-1第一高含氢炼厂气；S-2第二高含氢炼厂气；S-3第三高含氢炼厂气；S-4第四高含氢炼厂气；S-5第一凝液；S-6第一不凝气；S-7第一渗余气；S-8第一渗透气；S-9产品氢气；S-10变压吸附尾气；S-11第二凝液；S-12第二不凝气；S-13第二渗余气；S-14第二渗透气。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
实施例1针对某炼化企业220万吨连续催化重整装置副产的高含氢尾气，采用本发明中的膜分离强化的变压吸附工艺进行氢气提纯。根据组成和压力，催化重整高含氢尾气属于第二高含氢炼厂气S-2。
表1实施例1中关键物料的组成和操作参数一览表。
如图1所示，催化重整装置副产的高含氢尾气依次经第一冷却器2、第一换热器3、第二冷却器4，再进入第一分液罐5，在罐底采出第一凝液S-5，在罐顶采出第一不凝气S-6，在第一换热器3中预热后进入有机蒸汽膜分离单元8；在有机蒸汽膜分离单元8的高压侧，获得第一渗余气S-7，碳五及以上烃类重组分的含量降低至0.3vol％以下，在机蒸汽膜分离单元8的低压侧，获得第一渗透气S-8，碳五及以上烃类重组分被浓缩；第一渗余气S-7与增压/冷却的第二渗透气S-14合股，成为变压吸附装置9的原料气，分离得到氢气浓度高于99vol％的产品氢气S-9，以及变压吸附尾气S-10；第一渗透气S-8和变压吸附尾气S-10合股进入第三压缩机10，然后依次经过第二换热器11、第四冷却器12、第五冷却器13，再进入第二分液罐14，在罐底采出第二凝液S-11，在罐顶采出第二不凝气S-12，随后进入第二换热器11；经第二换热器11预热后的第二不凝气S-12，作为氢气膜分离单元15的原料气，分离得到高压的第二渗余气S-13，氢气含量低于15vol％，以及压力较低的第二渗透气S-14，氢气再次富集至75vol％以上；第二渗透气S-14依次经过第六冷却器16、第四压缩机17和第七冷却器18后，与第一渗余气S-7合股，作为变压吸附装置9的原料气。
在该实施案例中，主要的公用工程消耗：第三压缩机10和第四压缩机17的电力消耗，总装机功率5500kW；第二冷却器4和第五冷却器13的10℃冷冻水，总冷负荷4000MJ/h。通过压缩冷凝和有机蒸汽膜分离单元构成的预处理装置，变压吸附装置9的原料气中碳五及以上烃类重组分的含量仅为0.27vol％，显著改善吸附剂再生脱附条件，提高吸附装置长期运行稳定性，延长吸附剂使用寿命。通过后处理装置中的氢气膜分离单元进一步回收低浓度氢气，总回收率达到99％，远高于常规变压吸附装置的正常水平85～92％。
实施例2
实施例2针对某炼化企业60万吨连续催化重整装置副产的高含氢尾气，以及120万吨加氢裂化装置的低分气和干气，采用本发明中的膜分离强化的变压吸附工艺进行氢气提纯。根据组成和压力，催化重整高含氢尾气属于第二高含氢炼厂气S-2，加氢裂化装置的低分气和干气属于第一高含氢炼厂气S-1。
表2实施例2中关键物料的组成和操作参数一览表。
如图1所示，加氢裂化装置的低分气和干气，经第一压缩机1增压至2.5MPaG后与催化重整装置副产的高含氢尾气合股，然后依次经过第一冷却器2、第一换热器3、第二冷却器4，再进入第一分液罐5，在罐底部采出第一凝液S-5，在罐顶部采出第一不凝气S-6，在第一换热器3中预热后进入有机蒸汽膜分离单元8；在有机蒸汽膜分离单元8的高压侧，获得第一渗余气S-7，碳五及以上烃类重组分的含量降低至0.3vol％以下，在机蒸汽膜分离单元8的低压侧，获得第一渗透气S-8，碳五及以上烃类重组分被浓缩；第一渗余气S-7与增压/冷却的第二渗透气S-14合股，成为变压吸附装置9的原料气，分离得到氢气浓度高于99vol％的产品氢气S-9，以及变压吸附尾气S-10；第一渗透气S-8和变压吸附尾气S-10合股进入第三压缩机10，然后依次经过第二换热器11、第四冷却器12、第五冷却器13，再进入第二分液罐14，在罐底采出第二凝液S-11，在罐顶采出第二不凝气S-12，随后进入第二换热器11；经第二换热器11预热后的第二不凝气S-12，作为氢气膜分离单元15的原料气，分离得到高压的第二渗余气S-13，氢气含量低于15vol％，以及压力较低的第二渗透气S-14，氢气再次富集至75vol％以上；第二渗透气S-14依次经过第六冷却器16、第四压缩机17和第七冷却器18后，与第一渗余气S-7合股，作为变压吸附装置9的原料气。
在该实施案例中，主要的公用工程消耗：第一压缩机1、第三压缩机10和第四压缩机17的电力消耗，总装机功率2350kW；第二冷却器4和第五冷却器13的10℃冷冻水，总冷负荷1700MJ/h。通过压缩冷凝和有机蒸汽膜分离单元构成的预处理装置，变压吸附装置9的原料气中碳五及以上烃类重组分的含量仅为0.30vol％，显著改善吸附剂再生脱附条件，提高吸附装置长期运行稳定性，延长吸附剂使用寿命。通过后处理装置中的氢气膜分离单元进一步回收低浓度氢气，总回收率达到98.5％，远高于常规变压吸附装置的正常水平85～92％。
实施例3
实施例3针对某炼化企业200万吨柴油加氢裂化装置的高分气、低分气和干气，采用本发明中的膜分离强化的变压吸附工艺进行氢气提纯。根据组成和压力，柴油加氢裂化高分气属于第四高含氢炼厂气S-4，柴油加氢裂化低分气和干气属于第一高含氢炼厂气S-1。
表3实施例3中关键物料的组成和操作参数一览表。
如图1所示，加氢裂化装置的低分气和干气，经第一压缩机1增压至2.5MPaG后依次经过第一冷却器2、第一换热器3、第二冷却器4，再进入第一分液罐5，在罐底部采出第一凝液S-5，在罐顶部采出第一不凝气S-6，随后进入第一换热器3；柴油加氢裂化高分气经过第三冷却器7，再与经过第一换热器3预热的第一不凝气S-6合股，随后进入有机蒸汽膜分离单元8；在有机蒸汽膜分离单元8的高压侧，获得第一渗余气S-7，碳五及以上烃类重组分的含量降低至0.3vol％以下，在机蒸汽膜分离单元8的低压侧，获得第一渗透气S-8，碳五及以上烃类重组分被浓缩；第一渗余气S-7与增压/冷却的第二渗透气S-14合股，成为变压吸附装置9的原料气，分离得到氢气浓度高于99vol％的产品氢气S-9，以及变压吸附尾气S-10；第一渗透气S-8和变压吸附尾气S-10合股进入第三压缩机10，然后依次经过第二换热器11、第四冷却器12、第五冷却器13，再进入第二分液罐14，在罐底采出第二凝液S-11，在罐顶采出第二不凝气S-12，随后进入第二换热器11；经第二换热器11预热后的第二不凝气S-12，作为氢气膜分离单元15的原料气，分离得到高压的第二渗余气S-13，氢气含量低于15vol％，以及压力较低的第二渗透气S-14，氢气再次富集至75vol％以上；第二渗透气S-14依次经过第六冷却器16、第四压缩机17和第七冷却器18后，与第一渗余气S-7合股，作为变压吸附装置9的原料气。
在该实施案例中，主要的公用工程消耗：第一压缩机1、第三压缩机10和第四压缩机17的电力消耗，总装机功率1840kW；第二冷却器4和第五冷却器13的10℃冷冻水，总冷负荷900MJ/h。通过压缩冷凝和有机蒸汽膜分离单元构成的预处理装置，变压吸附装置9的原料气中碳五及以上烃类重组分的含量仅为0.30vol％，显著改善吸附剂再生脱附条件，提高吸附装置长期运行稳定性，延长吸附剂使用寿命。通过后处理装置中的氢气膜分离单元进一步回收低浓度氢气，总回收率达到98.0％，远高于常规变压吸附装置的正常水平85～92％。
Claims (3)
1.一种膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附氢气提纯工艺，其特征在于，
根据组成和压力将高含氢炼厂气分为四类：
第一高含氢炼厂气(S-1)，压力<2.5MPaG，碳五及以上烃类重组分含量≥1.0vol％；
第二高含氢炼厂气(S-2)，压力≥2.5MPaG，碳五及以上烃类重组分含量≥1.0vol％；
第三高含氢炼厂气(S-3)，压力<2.5MPaG，碳五及以上烃类重组分含量<1.0vol％；
第四高含氢炼厂气(S-4)，压力≥2.5MPaG，碳五及以上烃类重组分含量<1.0vol％；
第一高含氢炼厂气(S-1)经第一压缩机(1)增压后，与第二高含氢炼厂气(S-2)合股，然后依次经过第一冷却器(2)、第一换热器(3)和第二冷却器(4)，再进入第一分液罐(5)，在第一分液罐(5)罐底部采出第一凝液(S-5)，在第一分液罐(5)罐顶部采出第一不凝气(S-6)，第一不凝气(S-6)进入第一换热器(3)；第三高含氢炼厂气(S-3)经第二压缩机(6)增压后，与第四高含氢炼厂气(S-4)合股，然后经过第三冷却器(7)冷却，再与经过第一换热器(3)的第一不凝气(S-6)合股，随后进入有机蒸汽膜分离单元(8)；在有机蒸汽膜分离单元(8)的高压侧，获得第一渗余气(S-7)，碳五及以上烃类重组分的含量降低至0.3vol％以下；在有机蒸汽膜分离单元(8)的低压侧，获得第一渗透气(S-8)，碳五及以上烃类重组分被浓缩；第一渗余气(S-7)与增压/冷却的第二渗透气(S-14)合股，成为变压吸附装置(9)的原料气，分离得到氢气浓度高于99vol％的产品氢气S-9以及变压吸附尾气(S-10)；第一渗透气(S-8)和变压吸附尾气(S-10)合股进入第三压缩机(10)，然后依次经过第二换热器(11)、第四冷却器(12)和第五冷却器(13)，再进入第二分液罐(14)，在第二分液罐(14)罐底部采出第二凝液(S-11)，在第二分液罐(14)罐顶部采出第二不凝气(S-12)，第二不凝气(S-12)进入第二换热器(11)；经第二换热器(11)预热后的第二不凝气(S-12)，作为氢气膜分离单元(15)的原料气，分离得到高压的第二渗余气S-13，氢气含量低于15vol％，以及压力较低的第二渗透气(S-14)，氢气再次富集至75vol％以上；第二渗透气(S-14)依次经过第六冷却器(16)、第四压缩机(17)和第七冷却器(18)后，与第一渗余气(S-7)合股，作为变压吸附装置(9)的原料气。
2.根据权利要求1所述的膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附氢气提纯工艺，其特征在于，所述的有机蒸汽膜分离单元(8)是由透过烃类、水和二氧化碳可凝性分子的高分子膜组件构成的装置，采用的膜组件是中空纤维结构、板框式结构或螺旋卷式结构。
3.根据权利要求1或2所述的膜分离强化的高含氢炼厂气变压吸附氢气提纯工艺，其特征在于，所述氢气膜分离单元(15)是由透过的高分子膜组件构成的装置，采用的膜组件是中空纤维结构、板框式结构或螺旋卷式结构。
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