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氫回收裝置處理能力不足及滲透氣中氫含量低的原因分析及解決措施

文檔作者：茹文杰文檔來(lái)源：云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月14日
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［收稿日期］２０１６０７０７［作者簡(jiǎn)介］茹文杰（１９８５—），男，湖南湘潭人，工程師、高級(jí)技師，主要從事壓縮機(jī)和甲醇合成生產(chǎn)技術(shù)及管理工作。氫回收裝置處理能力不足及滲透氣中氫含量低的原因分析及解決措施茹文杰（云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 開遠(yuǎn) ６６１６００）［摘 要］云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司二甲醚廠氫回收裝置在甲醇合成催化劑使用末期，由于甲醇合成弛放氣量增大，出現(xiàn)氫回收處理能力不足以及滲透氣中氫含量低而無(wú)法滿足生產(chǎn)需求的問(wèn)題，就此進(jìn)行原因分析并實(shí)施技術(shù)改造后，實(shí)現(xiàn)了甲醇合成裝置弛放氣的完全處理，提高了氫氣的回收量，為整個(gè)甲醇合成系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行和穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。［關(guān)鍵詞］氫回收裝置；普里森膜；處理能力；滲透氣氫含量；原因分析；技術(shù)改造［中圖分類號(hào)］ＴＱ ０５ １８ ＋９３ ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］Ｂ ［文章編號(hào)］１００４ －９９３２（２０１７）０１ －００５４ －０３０ 引 言云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司二甲醚廠氫回收裝置于 ２００８ 年 ７ 月建成投產(chǎn)，其主要任務(wù)是將甲醇合成裝置送來(lái)的弛放氣經(jīng)水洗塔洗滌和進(jìn)料加熱器加熱后送入普里森膜分離器進(jìn)行分離，在滲透?jìng)?cè)得到氫含量高的滲透氣，送合成氣壓縮機(jī)與低溫甲醇洗系統(tǒng)來(lái)的凈化氣混合后作為原料氣，非滲透氣則直接送合成氨廠尾氣制氨系統(tǒng)。氫回收裝置原設(shè)計(jì)有 ９ 臺(tái)膜分離器，弛放氣設(shè)計(jì)處理量 ２５ ３１２ ｍ３ ／ｈ。裝置投用以來(lái)，一直運(yùn)行平穩(wěn)。在甲醇合成催化劑使用壽命前期，氫回收裝置可以滿足生產(chǎn)需求，但 ２０１２ 年以后，由于甲醇合成催化劑使用壽命進(jìn)入中后期，系統(tǒng)弛放氣量上升，大多數(shù)時(shí)候在 ３０ ０００ ｍ３ ／ｈ 以上，超出氫回收裝置的處理能力；同時(shí)，滲透氣中的氫含量也達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，大量氫氣不能得到回收利用，造成原料氣的浪費(fèi)，致使甲醇合成系統(tǒng)生產(chǎn)成本上升。為此，對(duì)氫回收裝置處理能力不足以及普里森膜出口滲透氣中氫含量低的原因進(jìn)行分析，并實(shí)施相應(yīng)的技術(shù)改造，解決了存在的問(wèn)題，氫回收裝置得以正常生產(chǎn)，甲醇合成系統(tǒng)生產(chǎn)成本得到降低。１ 氫回收裝置工藝流程及普里森膜的工作原理１１ 氫回收裝置工藝流程甲醇合成裝置送來(lái)的弛放氣 （５４ ＭＰａ、４０℃）進(jìn)入膜分離氫回收裝置界區(qū)水洗塔，用來(lái)自界區(qū)外的高壓脫鹽水洗滌其中帶有的少量甲醇（甲醇隨洗滌軟水一起送往甲醇精餾系統(tǒng)），洗滌后氣體 （４２ ℃）中的甲醇含量在 １ ０００ ×１０ －６以下，進(jìn)入氣液分離器除去夾帶的霧沫；離開氣液分離器的氣體含有飽和水蒸氣，為避免水蒸氣在膜分離器滲透?jìng)?cè)濃縮后凝結(jié)，同時(shí)為了使膜分離器處于最優(yōu)化的工作狀態(tài)，設(shè)置有一進(jìn)料加熱器 （加熱介質(zhì)為低壓蒸汽，通過(guò)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，并設(shè)有原料氣 溫 度 高、低 報(bào) 警 及 聯(lián)鎖），將出氣液分離器的氣體加熱至 ６５ ℃后送入膜分離器。經(jīng)分離，２５ ＭＰａ 的滲透氣經(jīng)氫氣冷卻器冷卻后送合成氣壓縮機(jī)予以回收，非滲透氣則送合成氨廠尾氣制氨系統(tǒng)。１２ 普里森膜的工作原理普里森膜 （即中空纖維膜）的基本工作原理是，利用一種高分子聚合物 （通常是聚酰亞胺或聚砜）薄膜來(lái)選擇 “過(guò)濾”進(jìn)料氣而達(dá)到分離的目的。由于氣體組分在高分子聚合物中的溶解擴(kuò)散系數(shù)存在差異，其滲透通過(guò)膜壁的速率不同，因此可將氣體分為 “快氣”（如 Ｈ２Ｏ、Ｈ２、Ｈｅ 等）和 “慢氣” （如 Ｎ２、ＣＨ４ 及其他烴類等）?；旌蠚怏w在驅(qū)動(dòng)力———膜兩側(cè)相應(yīng)組分分壓差的作用下，滲透速率相對(duì)較快的氣體優(yōu)先通第 １ 期２０１７ 年 １ 月中 氮 肥ＭＳｉｚｅｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎｏｕｓ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ＰｒｏｇｒｅｓｓＮｏ１Ｊａｎ．２０１７萬(wàn)方數(shù)據(jù)過(guò)膜壁而在低壓滲透?jìng)?cè)富集，而滲透率相對(duì)較慢的氣體則在高壓滯留側(cè)被富集。普里森膜分離系統(tǒng)的核心部件是一構(gòu)型類似于管殼式換熱器的膜分離器，數(shù)萬(wàn)根細(xì)小的中空纖維絲澆鑄成管束置于承壓管殼內(nèi)。混合氣體進(jìn)入分離器后沿纖維的一側(cè)軸向流動(dòng)，“快氣”不斷通過(guò)膜壁在纖維的另一側(cè)富集，通過(guò)滲透器出口排出，而滯留氣則從與氣體入口相對(duì)的另一端非滲透氣出口排出。２ 存在的問(wèn)題２１ 氫回收裝置處理能力不足氫回收裝置原設(shè)計(jì)有 ９ 臺(tái)膜分離器，弛放氣設(shè)計(jì)處理能力 ２５ ３１２ ｍ３ ／ｈ。甲醇合成催化劑使用前期，產(chǎn)生的弛放氣量在氫回收裝置處理能力范圍之內(nèi)，氫回收裝置可以滿足生產(chǎn)需求，但甲醇合成催化劑使用壽命進(jìn)入中后期以后，系統(tǒng)弛放氣量上升，大多數(shù)時(shí)候在 ３０ ０００ ｍ３ ／ｈ 以上，超出氫回收裝置的處理能力，導(dǎo)致甲醇合成系統(tǒng)無(wú)法加負(fù)荷。２２ 膜分離器出口滲透氣中氫含量過(guò)低目前，我國(guó)絕大多數(shù)合成氨以及甲醇項(xiàng)目都應(yīng)用了膜分離氫回收技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，全國(guó)已有 １００ 多套膜分離氫回收裝置投產(chǎn)。普里森膜分離系統(tǒng)用于合成氨以及合成甲醇弛放氣氫回收時(shí)，一級(jí)分離的回收率和產(chǎn)品氫純度可同時(shí)到達(dá)９２％以上；若需高純度氫氣，可串聯(lián)二級(jí)或三級(jí)分離，這 樣 產(chǎn) 品 氫 純 度 分 別 可 達(dá) ９９５％ 和９９９９％以上。正常生產(chǎn)時(shí)，我公司膜分離氫回收裝置滲透氣氫純度可達(dá) ９０％以上，但在甲醇合成系統(tǒng)弛放氣達(dá) ３０ ０００ ｍ３ ／ｈ 以上時(shí)，普里森膜分離器出口滲透氣中的氫含量就遠(yuǎn)低于工藝指標(biāo) （≥８５％）了，只有 ３０％左右。３ 原因分析３１ 氫回收裝置處理能力不足的原因分析氫回收裝置有 ９ 臺(tái)膜分離器，弛放氣設(shè)計(jì)處理能力 ２５ ３１２ ｍ３ ／ｈ。在甲醇合成催化劑使用壽命前期，其活性較好，甲醇合成轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)生的弛放氣量少，氫回收裝置可以滿足生產(chǎn)需求，但是甲醇合成催化劑使用壽命進(jìn)入中后期以后，其活性明顯下降，甲醇合成轉(zhuǎn)化率低，弛放氣量上升，多數(shù)時(shí)候在 ３０ ０００ ｍ３ ／ｈ 以上，超出氫回收裝置處理能力。３２ 滲透氣中氫含量低的原因分析３２１ 滲透氣中氫含量的影響因素膜的分離選擇性 （即各氣體組分滲透量的差異）、膜面積和膜兩側(cè)的組分分壓差等三要素決定了普里森膜的分離效果。其中，膜分離的選擇性取決于制造商選用的膜材料及制備工藝，是決定膜分離系統(tǒng)性能和效率的關(guān)鍵因素。當(dāng)混合氣體在驅(qū)動(dòng)力———膜兩側(cè)相應(yīng)組分分壓差的作用下，滲透速率相對(duì)較快的氣體優(yōu)先透過(guò)膜壁在低壓滲透?jìng)?cè)被富集，而滲透速率相對(duì)較慢的氣體則在高壓滯留側(cè)被富集。各氣體滲透量可用下式表示：Ｑｉ ＝ （Ｐ／ｌ）ｉ·Ａ· （Ｐｘｉ －ｐｙｉ）式中 Ｑｉ———?dú)怏w組分 ｉ 的滲透量；（Ｐ／ｌ）ｉ———?dú)怏w組分 ｉ 的滲透系數(shù)；Ａ———膜面積；Ｐ———原料氣壓力；ｐ——— 滲透氣壓力；ｘｉ———組分 ｉ 在原料氣中的體積分?jǐn)?shù)；ｙｉ———組分 ｉ 在滲透氣中的體積分?jǐn)?shù)。３２２ 滲透氣中氫含量低的可能原因（１）普里森膜安裝或生產(chǎn)過(guò)程中由于操作不當(dāng)而造成膜損壞，使得膜的分離選擇性 ［即各氣體組分滲透系數(shù) （Ｐ／ｌ）ｉ 的差異］ 發(fā)生改變，或者膜的有效面積 Ａ 減小，導(dǎo)致滲透氣中氫含量低。（２）生產(chǎn)中原料氣壓力 Ｐ 及滲透氣壓力 ｐ沒有控制在合適的指標(biāo)，使得膜兩側(cè)的組分分壓差沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致滲透氣中氫含量低。我廠原料氣壓力及滲透氣壓力都能按照工藝指標(biāo)較好地控制在 ５４ ＭＰａ 和 ２５ ＭＰａ，所以應(yīng)該不是此項(xiàng)因素導(dǎo)致滲透氣中氫含量低。（３）如果氫組分在原料氣中的體積分?jǐn)?shù) ｘｉ本身就低，會(huì)使?jié)B透氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù) ｙｉ 也不高。（４）從整個(gè)氫回收裝置的工藝流程來(lái)看，如果普里森膜分離器的旁路調(diào)節(jié)閥或者手動(dòng)閥內(nèi)漏嚴(yán)重，會(huì)造成一部分原料氣不經(jīng)過(guò)膜分離器而是通過(guò)旁路直接進(jìn)入非滲透氣管道，氫氣根本就沒有經(jīng)過(guò)普里森膜分離器進(jìn)行回收，從而導(dǎo)致滲透氣中氫含量低。第 １ 期 茹文杰：氫回收裝置處理能力不足及滲透氣中氫含量低的原因分析及解決措施 ·５５·萬(wàn)方數(shù)據(jù)４ 解決方法及效果４１ 裝置處理能力不足的解決方法通過(guò)二甲醚廠和負(fù)責(zé)氫回收裝置設(shè)計(jì)的成都賽普瑞興科技有限公司合作，提出氫回收裝置擴(kuò)能改造方案：膜分離器從 ９ 臺(tái)增加到 １２ 臺(tái)，使系統(tǒng)弛放氣設(shè)計(jì)處理能力由 ２５ ３１２ ｍ３ ／ｈ 增加到３４ ９８０ ｍ３ ／ｈ。４２ 滲透氣中氫含量低的解決方法（１）如普里森膜出現(xiàn)問(wèn)題，膜分離氫回收裝置的效率必然受到直接的影響。但從膜出口滲透氣與非滲透氣中氫組分的含量來(lái)看，仍有較大差距，說(shuō)明膜仍有較強(qiáng)的分離選擇性，應(yīng)該沒有出現(xiàn)較大損壞，不是滲透氣中氫含量低的主要原因。不過(guò)，普里森膜現(xiàn)在未出現(xiàn)問(wèn)題，并不代表以后不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因此，日常操作時(shí)一定要控制入膜原料氣中的甲醇含量小于 １ ０００ ×１０ －６，原料氣入膜溫度控制在工藝指標(biāo)內(nèi)，防止原料氣中的甲醇和水汽對(duì)膜造成損害；同時(shí)，嚴(yán)格控制開停車時(shí)的升降壓速率，防止升降壓操作不當(dāng)對(duì)膜造成損害。（２）我廠原料氣 （即甲醇合成弛放氣）中氫含量按原設(shè)計(jì)要求在 ４９％左右，而實(shí)際生產(chǎn)時(shí)原料氣中的氫含量在大多數(shù)情況下不到 ４０％，即氫氣組分在原料氣中的體積分?jǐn)?shù) ｘｉ 本身就低，這樣一來(lái)滲透氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù) ｙｉ 也就不高了，這是滲透氣中氫含量低的原因之一。但原料氣中氫含量低于原設(shè)計(jì)要求是我廠甲醇合成反應(yīng)氣成分決定的，不能改變，也就無(wú)法提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。（３）據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查，普里森膜分離器的旁路調(diào)節(jié)閥或者手動(dòng)閥確實(shí)存在一定程度的內(nèi)漏，一部分原料氣沒有經(jīng)過(guò)膜分離器，而是通過(guò)旁路直接進(jìn)入非滲透氣管道，氫氣根本就沒有經(jīng)過(guò)普里森膜分離器進(jìn)行回收，這是本裝置滲透氣中氫含量低的主要原因之一。于是，在氫回收裝置停車時(shí)對(duì)內(nèi)漏閥門進(jìn)行了更換。４３ 改造效果改造前后氫回收裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比見表１。由 表 １ 可 以 看 出：改 造 后，原 料 氣 量 由２５ ０００ ｍ３ ／ｈ 左右上升到 ３０ ０００ ～３５ ０００ ｍ３ ／ｈ，滲透氣流量由 ４ ０００ ～５ ０００ ｍ３ ／ｈ 增加到 ８ ０００ｍ３ ／ｈ 左右，氫回收率由 ３０％左右提高到 ４０％以上，好的時(shí)候可以達(dá) ５０％以上。表 １ 改造前后氫回收裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比時(shí) 間入膜壓力／ＭＰａ原料氣流量／ｍ３·ｈ －１滲透氣流量／ｍ３·ｈ －１非滲透氣流量／ｍ３·ｈ －１氫回收率／％改造前１１２９ ５３４ ２４ ９２２ ３ ６８２ ２１ ２４０ ２７２９１２０１ ５１９ ２５ ８４３ ４ ０４０ ２１ ８０３ ２８６５１２０６ ５３０ ２５ ２６２ ４ ２１４ ２１ ０５０ ３０２８改造后１２２５ ５２９ ３２ ６８３ ７ ７６６ ２４ ９１８ ５ １６９１２２６ ５３３ ３２ ５４３ ７ ３９３ ２５ １５２ ５０３３１２２７ ５３３ ３０ ８６３ ７ ９９７ ２２ ８６７ ５３２３整體而言，改造后氫回收裝置處理能力明顯提高，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，各工藝指標(biāo)均合格。如果按多回收 ３ ０００ ｍ３ ／ｈ 滲透氣、滲透氣氫含量６０％計(jì)算，可多回收氫氣 １ ８００ ｍ３ ／ｈ，按年運(yùn)行８ ０００ ｈ 計(jì)，１ ａ 就可多回收氫氣約 １４４ ×１０７ｍ３；按 １ ０００ ｍ３ 氫氣 ７５０ 元計(jì)算，每年增加的經(jīng)濟(jì)效益在 １ １００ 萬(wàn)元左右，非?？捎^。５ 結(jié)束語(yǔ)氫回收裝置改造后，實(shí)際生產(chǎn)中其弛放氣處理能力可達(dá) ３５ ０００ ｍ３ ／ｈ 以上，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，各工藝指標(biāo)均合格，確保了常開 ３ 臺(tái)甚至 ４ 臺(tái)氣化爐高負(fù)荷情況下甲醇合成系統(tǒng)弛放氣的完全處理，消除了安全、環(huán)保等隱患，提高了氫氣的回收量，可使甲醇增產(chǎn) ３％ ～５％，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的節(jié)能降耗，也為整個(gè)甲醇合成系統(tǒng)能夠更加安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行和穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。當(dāng)然，為確保滲透氣中氫含量在較好的水平，生產(chǎn)中要嚴(yán)格按照操作規(guī)程做到以下幾點(diǎn)：① 控制好原料氣入膜分離器的醇含量、溫度以及升降壓速率，保護(hù)好普里森膜；② 調(diào)整好入膜原料氣的壓力以及出膜滲透氣的壓力，使膜兩側(cè)氣體分壓差保持在較好的范圍內(nèi)；③ 認(rèn)真巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理裝置中設(shè)備、管道、閥門等出現(xiàn)的問(wèn)題?？傊灰獓?yán)格按規(guī)程做好生產(chǎn)管理，膜分離氫回收裝置就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效運(yùn)行，從而為甲醇合成系統(tǒng)的節(jié)能降耗、增產(chǎn)增效打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。·５６· 中 氮 肥 第 １ 期

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