高密度聚乙烯装置低压溶剂回收系统分析_崔春霞

53. 1 96. 8 脱烷基塔 尾气压缩机 冷凝器 汽液分离罐 膜组件 2500 720 170
36. 2 95. 3 高压罗茨风机 热交换器 冷凝器 汽液分离罐 冷冻机组 1800 1100 330
这两种溶剂回收方法各有特点。膜回收法中，脱烷基塔和 分离膜的性能是决定单元装置技术指标的关键因素，前者决定 了压缩机的负荷和寿命是否满足要求，后者决定了分离效率是 否满足要求。压缩冷凝法中，动设备较多，冷凝温度过低，对 设备的材料和制造有较严格的要求。并且，因物流温度较低， 需配套低温冷火炬罐，在某些事故工况下，低温气体和含有低 温液体的物流在低温冷火炬罐中加热和汽化后再排入常温火炬 系统，以保证安全。
图 4 乙烯和异丁烷冷凝率随压力的变化
从图 4 可以看出，随着压力的升高，乙烯冷凝率和异丁烷 冷凝率 升 高，尤 其 是 乙 烯 的 冷 凝 率 提 高 较 大。如 压 力 从 0. 225 MPaG 提高到 1. 6 MPaG，冷凝温度保持 － 35 ℃ 不变，则 乙烯冷凝率从 36. 2% 提高到 84. 2% ，异丁烷冷凝率从 95. 3% 提高到 99. 4% 。按每小时进入低压溶剂回收系统的气体中乙烯 含量为 360 kg / h，异丁烷含量为 5070 kg / h 计算，每小时乙烯 多冷凝 173 kg，异丁烷多冷凝 208 kg。如 按 每 年 运 行 8000 h 计，每年多回收乙烯 1384 吨，多回收异丁烷 1664 t。如按乙烯 8000 元 / t 计，异丁烷 9000 元 / t 计，每年的毛利润约增加 2600 万元。压力升高后，设备投资增加约 1000 万元，考虑到设备 的折旧，并扣除增加的电、循环水等操作费用，一年内即可收 回投资。
3 低压溶剂回收工艺方案
3. 1 膜回收工艺
在天津石化高密度聚乙烯装置中，低压溶剂回收系统采用 了膜回收工艺，低压闪蒸罐顶部排放的气体压力接近常压，需 对其进行 增 压，选 用 两 级 迷 宫 活 塞 式 压 缩 机， 将 压 力 提 高 到 1. 65 MPaG，其工艺流程如图 2 所示。
图 2 膜回收工艺流程图 1. 脱烷基塔； 2. 缓冲罐； 3，5. 压缩机； 4，6. 冷却器；
作者简介： 崔春霞 （ 1977 － ） ，女，毕业于华东理工大学，工学硕士，工程师，主要从事工艺设计。
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崔春霞： 高密度聚乙烯装置低压溶剂回收系统分析
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力，使其各组分的沸点升高，然后把加压后的尾气降温，使其 中的乙烯、异丁烷等有机蒸汽冷凝。
本文依据天津石化和武汉石化 30 万 t / 年 INEOS 环管淤浆 法 HDPE 装置，以 Ziegler 催化剂生产单峰聚乙烯产品为例，对 采用膜回收法和压缩冷凝法的低压溶剂回收系统工艺方案进行 比较。
方面对这两种回收方法进行了对比。针对现有压缩冷凝工艺中乙烯回收率低的缺点，经 Aspen Plus 模拟计算，得到提升尾气压力 和乙烯回收率的关系曲线，提出了优化方案。
关键词： 高密度聚乙烯； 低压溶剂回收； 膜回收； 压缩冷凝
中图分类号： TQ325. 1
文献标识码： A
文章编号： 1001 － 9677（ 2012） 20 － 0120 － 03
2 低压溶剂回收方法
含有烃类气体的回收处理方法主要有膜回收法、压缩冷凝 法等［4］。
膜回收法是一种基于溶解扩散机理的气体分离技术，其分 离的推动力是气体各组分在膜两侧的分压差，利用气体各组分 通过膜时的渗透速率的不同来进行气体分离［5］。压缩冷凝法是 利用有机物沸点随压力增加而升高的原理，通过增加气体的压
3. 3 两种回收工艺的比较
由上面的数据可知，膜回收工艺中乙烯和异丁烷的回收率 高于压缩冷凝工艺。两种回收方案的回收率、设备投资成本和 公用工程消耗的比较见表 1。
表 1 膜回收和压缩冷凝工艺比较
膜回收工艺
压缩冷凝工艺
乙烯回收率 /% 异丁烷回收率 /%
设备比较
设备投资 /万元 动力电消耗 / kW 循环水消耗 / （ m3 / h）
经过此回收系统，约 53. 1% 的乙烯、96. 8% 的异丁烷被冷 凝后返回到反应系统。只有二级膜截留侧的气体排入了火炬系 统，作为该回收系统的损失物料，和进料量相比较，乙烯损失 约 46. 9% ，异丁烷损失约 3. 2% 。
3. 2 压缩冷凝回收工艺
武汉石化高密度聚乙烯装置中，低压溶剂回收系统采用压 缩冷凝工艺，工艺流程如图 3 所示。从低压闪蒸罐顶部排出的 压力较 低 的 闪 蒸 气 （ A） ，进 入 到 高 压 罗 茨 风 机，压 力 从 0. 025 MPaG 提升到 0. 225 MPaG，然后经二级热交换器，气体 被冷却到 12 ℃ ，再经低温冷凝到 － 35 ℃ ，进入气液分离罐， 冷凝下来的冷液体 （ D） 经热交换器升温后送回反应系统，气 液分离罐顶部排出的气体经热交换器升温后，部分气体 （ B） 送回低压 闪 蒸 罐，作 为 低 压 闪 蒸 罐 中 部 的 吹 扫 气， 其 余 气 体 （ C） 排入火炬系统。
低压溶剂回收系统主要回收从低压闪蒸罐顶部排出的尾气 和其它设备排放尾气中的烃，如图 1 所示，回收的液态烃经泵 升压后返回反应系统，离开低压溶剂回收系统的气体，部分返 回到低压闪蒸罐作为低压闪蒸罐中部的吹扫气，其余气体排入 火炬系统燃烧。
以 30 万吨 / 年 INEOS 环管淤浆法 HDPE 装置为例，粉料中 挟带的烃和其它设备排放气中大约共含异丁烷 4200 ～ 5100 kg / h， 乙烯 250 ～ 380 kg / h，其余为氢气、甲烷、乙烷和氮气。将其中 的烃类回收利用，能明显地减少物耗，减少对环境的污染； 部 分脱烃的气体返回到低压闪蒸罐作为初始吹扫气，减少了氮气 的消耗量。低压溶剂回收具有显著的经济效益和社会效益。
图 3 压缩冷凝工艺流程图 1. 鼓风机； 2. 冷却器； 3. 缓冲罐； 4. 鼓风机； 5. 套管换热器； 6. 热交换器； 7. 低温冷凝器； 8. 气液分离罐
因闪蒸气中含有微量的烷基物，为避免微量烷基物脱除不 干净，从而对下游的压缩机造成损害，选择具有特殊设计的高 压罗茨风机作为升压设备［6］。该工艺流程中采用的冷凝温度为 － 35 ℃ ，选用单独的丙烯制冷压缩机就可以满足工艺要求。
该工艺中约 36. 2% 的乙烯、95. 3% 的异丁烷被冷凝后返回 反应系统。为防止不凝性气体在系统中累积，并考虑到低压闪 蒸罐所需的吹扫气量不能过大，以免造成低压闪蒸罐内粉料的 流化，从气液分离罐顶部排出的气体仅有大约 45% 返回作为吹 扫气，其余的气体在压力控制下排入火炬，作为该回收系统的 损失物料。和进料量相比较，乙烯损失约 63. 8% ，异丁烷损失 约 4. 7% 。
Key words： HDPE； low pressure solvent recovery； Membrane recovery； compression condensation
随着世界聚烯烃技术的迅速发展，高密度聚乙烯产品的应 用越来越广泛，产能在逐年递增［1］。具有代表性的高密度聚乙 烯生产技术主要有气相法、淤浆法、溶液法和淤浆 + 气相聚合 等工艺［2］，其中淤浆法主要有 INEOS 公司的 Innovene S 工艺、 日本三井油化公司的 CX 工艺等。天津石化首次引进 Innovene S 工艺，2009 年建成投产，独山子石化、武汉石化、榆林能化等 相继引进该技术。天津石化和武汉石化两套装置均由中石化上 海工程有限公司进行工程设计，技术路线基本一致，主要在低 压溶剂回收系统存在不同。本文针对这两套装置的低压溶剂回 收系统进行了分析，提出了优化设计方案。
第 40 卷第 20 期 2012 年 10 月
广州化工 Guangzhou Chemical Industry
Vol. 40 No. 20 October. 2012
生产技术
高密度聚乙烯装置低压溶剂回收系统分析
崔春霞
（ 中石化上海工程有限公司，上海 200120）
摘 要： 介绍了环管淤浆法高密度聚乙烯工艺低压溶剂回收的两种方法： 膜回收法和压缩冷凝法。从回收率、设备配置等
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
广州化工
2012 年 10 月
有的烷基物脱除干净，选用压缩机提升压力，在相同的冷凝温 度下，并假定进入低压闪蒸罐的粉料中含有的烃和其它设备排 放气中含有的烃相同，并且低压闪蒸罐的吹扫气量不变，通过 Aspen plus 计算，可以得到不同的乙烯冷凝率和异丁烷冷凝率， 如图 4 所示。
5结论
环管淤浆法高密度聚乙烯工艺的物料损耗主要为低压溶剂 回收系统的排放损失。优化回收系统、降低排放损失是降低物 耗的主要途径。低压溶剂回收技术主要有膜回收技术和压缩冷 凝回收技术。膜回收法技术较先进，选择适当的膜，能同时回 收烃和高纯度的氮气，近年来在聚烯烃尾气回收装置上应用较 广泛。压缩冷凝法是气体处理的传统工艺，应用业绩很多，技 术成熟，适当选择压缩压力和冷凝温度，能得到良好的经济效 益和社会效益。
Analysis of Low Pressure Solvent Recovery System in HDPE Plants
CUI Chun － xia （ SINOPEC Shanghai Engineering Co. ，Ltd. ，Shanghai 200120，China）
Abstract： Two techniques of low pressure solvent recovery in the slurry phase high density polyethylene （ HDPE） process with loop － type reactors － membrane recovery and compression recovery were introduced． Comparative analysis of these two methods was discussed in the aspects of recovery efficient and equipment selection． For the disadvantage of low ethylene recovery efficient in the compression recovery system in current plant，optimization scheme was proposed based on the relationship of exhaust pressure and recovery efficient．
4 压缩冷凝工艺的优化
前面所介绍的压缩冷凝工艺中，乙烯的损失率为 63. 8% ， 如按照进入低压溶剂回收系统的乙烯量为 360 kg / h 计算，每小 时损失乙烯约 230 kg。究其原因，是在前面介绍的工艺配置中， 因为尾气中含有的烷基物不易脱除，所以选用了不易堵塞的高 压罗茨风机，通过两台风机串联，压力从 0. 025 MPaG 最高升 压到 0. 225 MPaG。如果设计的脱烷基塔可以有效地把尾气中含
7. 气液分离罐； 8. 一级膜分离器； 9. 二级膜分离器
从低压闪蒸 罐 出 来 的 闪 蒸 气 和 其 他 设 备 放 出 的 低 压 气 体 （ A） 首先进入到脱烷基塔中，以脱除闪蒸气中含有的微量烷基 物，因为微量烷基物能附着在下游压缩机内壁上，降低压缩机 的负荷，并减少压缩机的使用寿命。气体从脱烷基塔出来后， 进入到尾气压缩机升压到 1. 65 MPaG，用循环冷却水将其经冷 却冷凝到 36 ℃ ，在气液分离罐中进行气液分离，分离得到的 液态烃 （ D） 送入反应系统，从气液分离罐顶部排出的不凝气 进入膜分离回收系统。膜分离部分由两级膜组件组成，不凝气 首先进入一级膜分离，一级膜的作用是回收不凝气中的乙烯和 异丁烷，在经过一级膜分离时，乙烯和异丁烷等烃类优先透过 膜，在膜的渗透侧富集，返回压缩机入口进一步压缩冷凝。一 级膜的截留气进入到二级膜分离，在二级膜分离过程中，剩余 的烃类和氮气进一步分离，在二级膜渗透侧得到富含烃的气体 （ B） ，氮气含量约为 15% ～ 20% ，返回到低压闪蒸罐作为低压 闪蒸罐 中 部 的 吹 扫 气，在 二 级 膜 截 留 侧 得 到 的 氮 气 浓 度 为 70% 、乙烯和异丁烷浓度约为 20% 的气体 （ C） ，排放到火炬 系统。
图 1 低压闪蒸罐和溶剂回收系统简图
1 低压溶剂回收系统设置的必要性
天津石化和武汉石化高密度聚乙烯装置采用 INEOS 公司的 Innovene S 淤浆法聚乙烯工艺，使用两台环管反应器生产单峰 / 双峰聚乙烯产品［3］。聚合反应在异丁烷为稀释剂的淤浆中 进 行，乙烯和共聚单体在环管反应器中聚合生成粉料。淤浆离开 反应器后，在高压闪蒸罐脱出绝大部分的稀释剂，底部粉料送 至低压闪蒸罐进一步脱除微量稀释剂和未反应物，脱气后粉料 经风送系统送后工段粉料仓供造粒。