膜分技术在甲醇弛放气中的应用

牛宝玉，闫建国，李 胜，校文超，石文峰

（河南煤业化工集团新乡中新化工有限责任公司，河南新乡 453800）

1 概 况

氢回收装置是新乡中新化工有限责任公司300kt／a甲醇项目所需的设备单元之一。氢回收装置是将甲醇弛放气组分进行分离，将其中的大部分氢气分离出来并回收，送回合成气压缩机作为原料，调节合成气中的氢碳比，其余尾气送回燃料系统。我公司采用的是美国普里森中空纤维膜分离器（简称PRISM）。

公司有6根膜分离器，处理气量13000m3／h，最大16 000m3／h，中空纤维膜分离的氢气回收率可达95%，氢气纯度在90%以上。处理的弛放气组成见表1。

由表1得知，甲醇弛放气主要成分是氢气，回收这部分气体不但可以改善环境，而且也是让有用气体得到有效利用，因此回收氢气十分必要。

对富氢产品气和非渗透气体的要求如下。

富氢产品气压力 ≥3.4MPa（绝）

非渗透气压力 ≥0.5MPa（绝）

渗透气H2回收率 ≥95%

产品气中H2含量 ≥90%（H2纯度）

产品气中N2含量 ≤8%

表1 弛放气组成

2 流程简述

原料气经水洗脱醇后以6.3MPa的压力和40℃的温度进入膜分离装置界区，气体的设计流量为13 000m3／h。此气体首先进入一气液分离器，气液分离器出来的原料气含有该温度、组成下的饱和水蒸气。为避免水蒸气凝结，设有一套管式加热器，将原料气加热至50℃，使原料气远离露点。原料气进入膜分离器，经一管道过滤器过滤，再进入PRISM（C）膜分离器组（6根X2201A～F）进行分离。分离器由两组串联构成，每组由3根φ200×3 000mm中空纤维膜分离器组成，采用并联形式连接。每个PRISM（C）膜分离器外型类似一管壳式热交换器，膜分离器壳体内部由成千上万根中空纤维组成的纤维束组成，类似于管束。原料气从下端侧面进入PRISM（C）膜分离器。由于各种气体组分在透过中空纤维膜时的溶解度和扩散系数不同，不同气体在膜中的相对渗透速率不同，各组分中氢气的相对渗透速率最快，从而可将氢气分离提纯。在原料气沿PRISM（C）膜分离器的长度方向流动时，更多的氢气渗透进入中空纤维，在中空纤维芯侧得到压力为3.4MPa、纯度大约90%的氢产品，氢产品返回甲醇合成装置。在壳程得到一富含惰性气体的物流，称为非渗透气，其压力由HV－2201控制至0.6MPa后去燃料气管网。流程示意如图1。

图1 膜分离回收氢工艺流程示意

3 主要设备

（1）加热器

加热器（E－2201）为一列管式换热器。加热介质为0.6MPa的饱和蒸汽，原料气走管程，蒸汽走壳程，原料气被加热到40～70℃。

（2）中空纤维膜分离器

中空纤维膜分离器组（X－2201A、B、C、D、E、F）采用了6根结构相同的φ200×3 000mm膜分离器。膜分离器是本装置的主体，是核心。膜分离器芯部由数以万计的中空纤维管组成。原料气由分离器下端侧口进入沿纤维束外表面向上流动，气体接触到中空纤维膜时便进行渗透、溶解、扩散、解吸。利用中空纤维膜对各种气体的选择性不同，从而达到分离的目的。如氢气在膜表面渗透速率是甲烷、氮气及氩气等的几十倍。氢气进入每根中空纤维管内，汇集后从膜分离器上口排出，未渗透的尾气从膜分离器的下口排出。

4 操作中注意事项

（1）开、停车过程中升压与降压必须缓慢操作，严禁压力突升或突降，气流速度过大会冲坏中空纤维膜。

（2）膜分离器无论在开、停状态，还是运转中，严禁出现反压。

（3）原料气加热升温，严格控制温度在40～70℃，不得超过80℃。

（4）对控制仪表要做到经常检查、维护，使控制仪表处在正常工作状态。

（5）每次停车再开时，必须要对分离器V2201进行排污，确保进入膜分离器的气体为干净的气体。

5 技术特点

膜分离回收氢气装置与其他技术相比，具有以下显著的特点。

（1）易于操作。随时开停方便，无人操作。

（2）寿命长。超过十年。

（3）易于安装。占地小，重量轻，易适应于小或拥挤的场合。

（4）连续开工可靠。不受过程条件变化影响，具有耐各种杂质的能力。

（5）适应范围宽。能抗许多化学污染。

（6）维护方便。膜系统无移动部件，无需检修。

（7）安全可靠。生产中产品不合格时，系统将自动关闭，以保证产品质量。

6 投资估算及效益分析

该项目总估算值20万元，其中设备投资17万元，土建投资1万元，其他2万元。

如果每小时回收7 200m3氢气，则每年可回收有效气体约622×104m3。如果每吨精甲醇耗粗煤气2 000m3（干基），每吨精甲醇耗原料煤1.4t，每吨粉煤按600元计，则每年可为企业增效约186.6万元。

7 结 语

膜分离技术适合我国以煤炭为原料的甲醇合成装置。我公司自2011年3月试运行至今，达到了设计运行效果。由于本装置具有操作简单、可靠性高、使用寿命长等优点，不仅为企业节能减排、降本增效、环保等提供了强有力的保障，也是企业长久发展的必然选择。