高密度聚乙烯裝置溶劑回收系統(tǒng)回收技術(shù)研究

高密度聚乙烯裝置溶劑回收系統(tǒng)回收技術(shù)研究

隨著世界聚烯醇技術(shù)的快速發(fā)展，高密度聚烯醇產(chǎn)品的應用越來越廣泛，其產(chǎn)量逐年增加。具有代表性的高密度聚乙烯生產(chǎn)技術(shù)主要有氣相法、淤漿法、溶液法和淤漿+氣相聚合等工藝在傳統(tǒng)的回收工藝中,受回收氣組分、回收氣壓力及冷凝溫度的限制,回收單元仍有少量單體及溶劑無法完全回收,直接排入火炬系統(tǒng)中,造成物料浪費及裝置單耗上升。隨著國內(nèi)對降耗、節(jié)能、減排的重視,近年來高密度聚乙烯裝置溶劑回收單元的尾氣回收技術(shù)也不斷推廣及應用,尤其是在將膜分離回收技術(shù)、深冷分離回收技術(shù)逐漸運用到高密度聚乙烯排放氣回收單元中,進一步提高了單體和溶劑的回收率,同時也提高了氮氣的回收率1脫除微量溶劑和單體某公司淤漿法高密度聚乙烯裝置,聚合物漿料在離開反應系統(tǒng)經(jīng)加熱后在高壓閃蒸罐(0.5~1.0MPaG)中脫除絕大部分的溶劑和乙烯單體,底部粉料經(jīng)過鎖料斗后,送低壓閃蒸罐進一步脫除微量溶劑和單體。低壓閃蒸罐頂部脫出的低壓氣體含大量氮氣及少部分未反應的乙烯及殘留的溶劑,該股氣體進入溶劑回收單元,經(jīng)羅茨風機二級壓縮升壓后與來自異丁烷脫輕塔(C-5002)頂部排放氣及中間體處理單元(C-3001)頂部排放氣(中間體處理單元排放氣僅在生產(chǎn)雙峰聚乙烯產(chǎn)品時有流量)合并后進入熱交換器,合并氣被冷卻到12℃,再經(jīng)冰機冷凝到-35℃,進入氣液分離罐,冷凝下來的冷液體經(jīng)熱交換器升溫后送回反應進料系統(tǒng),氣體經(jīng)熱交換器升溫后2屋頂回收技術(shù)2.1中低壓力的壓縮冷凝器技術(shù)聚乙烯裝置溶劑回收單元使用的尾氣回收技術(shù)主要以壓縮冷凝技術(shù)、膜分離技術(shù)為主導,這兩項技術(shù)的優(yōu)缺點及典型回收指標詳見表1。從表1可以看出,壓縮冷凝技術(shù)及膜分離技術(shù)對C4及以上組分的回收效率較高,可實現(xiàn)較大比例的回收利用,但對于乙烯單體,其較低的沸點使得采用中低壓力的壓縮冷凝技術(shù)難以提高其回收率,如果進一步提高壓力則將增加設備投資及運行費用;而由于乙烯分子更容易穿過回收膜,單次透過膜的分離效率較低,因此不能實現(xiàn)乙烯與氮氣等輕組分的完全分離為了更有效的回收高密度聚乙烯裝置回收單元尾氣中的烴類,尤其是乙烯單體,近年來,深冷分離技術(shù)不斷成熟和發(fā)展,成為大型聚乙烯裝置尾氣回收的可選技術(shù)之一,特別是雙膨脹機深冷回收技術(shù),可以使高密度聚乙烯裝置的異丁烷回收率提高至90%以上,乙烯回收率80%以上,同時可以回收氮氣,這使得裝置的物耗能耗大大降低2.2c、以上組分深冷分離系統(tǒng)由設置在一臺整體冷箱內(nèi)的氣液分離罐、板式換熱器、透平膨脹機等設備組成。一定壓力(常規(guī)升壓至1.5MPaG左右)的原料氣進入深冷分離系統(tǒng)中,在板式換熱器中冷卻降溫至-30℃后進入氣液分離罐;其中液相為C4及以上組分,氣相為乙烯和氮氣等輕組分。氣相輕組分經(jīng)進入膨脹壓縮機節(jié)流膨脹后,溫度可至-100~-120℃,壓力降至接近常壓,在此溫度及壓力條件下,乙烯等烴類組分大部分液化,與氮氣等不凝氣分離,從而實現(xiàn)乙烯等烴類的回收膜分離+深冷分離回收技術(shù)集合了膜分離及深冷分離工藝的優(yōu)點?；旌蠚怏w先通過膜分離設施,使烴類(如丁烯-1、異丁烷)氣體部分通過滲透側(cè)得到富集,未滲透的節(jié)流氣體進深冷分離系統(tǒng)。與單純的深冷分離相比,此時進深冷分離系統(tǒng)節(jié)流氣的熱容較原混合氣有所降低,所以膨脹機通過等熵膨脹過程可以獲得更低的溫度,從而加強了進一步低溫冷凝回收剩余的輕質(zhì)烴(如乙烯、己烯-1、異丁烷)的效果,尤其是對乙烯的回收效果明顯3在重建前，對單元的運營狀態(tài)和投資效率進行了分析3.1單元不完全導致不凝氣體返回某公司30萬噸/年HDPE裝置采用英力士環(huán)管淤漿法生產(chǎn)工藝,在原工藝設計中,從低壓閃蒸罐D(zhuǎn)-4003排出的工藝氣體主要組成為氮氣、乙烯、己烯-1、異丁烷及烴類氣體,其進入低壓溶劑回收系統(tǒng),采用高壓羅茨風機及冷凝分離回收異丁烷和乙烯。由于受到壓縮能力和冷凝溫度的限制,乙烯、異丁烷回收效果未達到理想效果。低壓溶劑回收系統(tǒng)的不凝氣體返回至低壓閃蒸罐D(zhuǎn)-4003中,作為其吹掃脫烴之用。在回收單元改造之前,由于乙烯在回收單元回收不完全,返回低壓閃蒸罐的氣體中含有的少量乙烯,與D-4003粉料中殘余的活性催化劑發(fā)生聚合反應,在D-4003的支撐梁上生成大塊料,造成D-4003底部下料口堵塞,影響低壓閃蒸系統(tǒng)及回收系統(tǒng)正常生產(chǎn)操作。為不影響裝置連續(xù)運行,改造前只能將低壓溶劑回收系統(tǒng)中的分離氣體直排火炬,這造成異丁烷和乙烯的大量損失,從表2低壓溶劑回收單元排火炬尾氣組成可以看出,異丁烷每天損失量在8噸左右,回收單元改造前HDPE裝置異丁烷每天用量均在12.3噸左右,遠高于異丁烷設計用量,大大增加了裝置的物耗、能耗。該股排火炬氣體組成詳見表2。為回收低壓溶劑回收系統(tǒng)分離氣中的異丁烷、乙烯,降低裝置的物耗、能耗,現(xiàn)考慮增設一套尾氣回收單元,該單元采用膜分離和深冷分離組合回收技術(shù),將原設計直接返回至低壓閃蒸罐D(zhuǎn)-4003中的氣體(即排火炬氣體)經(jīng)過膜分離及深冷分離過程處理,最大限度的將異丁烷、乙烯等烯烴分離回收。3.2回用異丁烷回收火炬經(jīng)過低壓溶劑回收系統(tǒng)的分離氣作為膜分離及深冷分離系統(tǒng)的原料氣,首先經(jīng)壓縮機升壓到約2100kPaG,然后進入后冷卻器與循環(huán)水換熱,氣體冷卻到40℃左右,進入到常溫氣液分離器中進行氣液分離,在分離罐的底部分離的液體烴類,返回冷凍系統(tǒng)上游回收異丁烷。從常溫氣液分離器上部出來的不凝氣進入到VOC膜分離器進行分離,VOC膜的分離特性是優(yōu)先透過異丁烷、乙烯等烴類氣體,被分成兩股物流:一股為低壓的富集烴類的滲透氣物流,返回冷凍系統(tǒng)上游回收異丁烷;另一股物流為貧烴物流進入到深冷分離單元進行烴類的進一步回收。在深冷分離單元,利用氣體的壓力能,采用透平膨脹制冷技術(shù),將氣體的溫度冷卻到-120~-130℃,從而將大部分乙烯液化,實現(xiàn)其和氮氣的分離,得到的富氮氣體,排放到火炬。在深冷分離部分得到的液相,再經(jīng)過復熱以后,進入到低壓氣液分離器,低壓氣液分液器出來的氣相(主要成分為乙烯)經(jīng)過換熱器升溫為常溫氣體,送去乙烯裂解裝置;低壓氣液分液器出來的液態(tài)烴類,返回到低壓凝液分離罐上游,回收乙烯及異丁烷。3.3回收系統(tǒng)效果該高密度聚乙烯裝置低壓溶劑回收單元在膜分離和深冷分離組合回收系統(tǒng)投用后,針對產(chǎn)品進行了回收率標定,結(jié)果見表3。在組合回收系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間,由表3數(shù)據(jù)可得,回收系統(tǒng)中異丁烷回收率已達93.9%,如果也計算返回乙烯裂解裝置的異丁烷流量,異丁烷基本實現(xiàn)完全回收。乙烯回收率也達到85%以上,優(yōu)于設計值80%;回收氮氣濃度為92%,大于設計值90ω/%。在該回收系統(tǒng)投用后,裝置的總單耗從1.014t/t產(chǎn)品下降到1.010t/t產(chǎn)品,異丁烷的單耗由14.8kg/t下降到6.2kg/t產(chǎn)品,氮氣的消耗由74Nm4高密度聚乙烯裝置在中間處理單元洗滌塔c-4002塔膜分離和深冷分離組合回收技術(shù)在淤漿法聚乙烯工藝成功應用,可實現(xiàn)較高的經(jīng)濟效益。在實際操作中,尾氣實際組分與典型組分存在偏差較大,并且由于回收尾氣來自于低壓脫氣倉,上游裝置運行的變化會導致回收尾氣流量發(fā)生不小的波動,這需要回收裝置能有效應對波動變化帶來的影響,尤其是當流量較高或較低時膨脹機也可以提供低溫來確保分離效果。因此建議雙膨脹深冷回收系統(tǒng)設置2組不同氣量的膨脹機,操作時根據(jù)不同回收尾氣流量,切換不同運行工況,可以適應尾氣大范圍的波動,并保證膨脹機的高效率運行,保證裝置可在較大的操作彈性下正常工作。本裝置有單峰和雙峰兩種工況,生產(chǎn)單峰產(chǎn)品時,中間處理單元洗滌塔塔頂輕組分氣體無輸出,因此可以在深冷分離系統(tǒng)中設置兩臺獨立換熱器適應單雙峰切換工況。同時裝置運行工況多,尾氣組分波動大,在對換熱器通道進口分布考慮氣液相分布結(jié)構(gòu),在通道排列上考慮組分及氣量波動的影響,將相同波動趨勢的通道排列在一起,保證換熱器熱平衡。高密度聚乙烯裝置異丁烷脫輕塔C-5002塔頂排放氣正常操作返回乙烯裂解裝置,這股氣體中含有一定量的乙烯和異丁烷,在高密度聚乙烯裝置生產(chǎn)雙峰牌號產(chǎn)品的工況下,中間處理單元洗滌塔C-3001塔頂氣中乙烯和異丁烷含量也較高,因此在設計膜分離和深冷分離系統(tǒng)時,一并考慮這兩股股氣體的回收,可以大大降低裝置的單耗和物耗。高密度聚乙烯裝置C-5002塔頂及C-3001塔頂氣組成詳見下表,如果按異丁烷回收率90%,乙烯回收率80%計算,每年裝置將節(jié)約成本870萬元(按單峰和雙峰產(chǎn)品各開半年計算),將實現(xiàn)較高的經(jīng)濟價值。在高密度聚乙烯裝置生產(chǎn)雙峰牌號產(chǎn)品的工況下,中間處理單元洗滌塔C-3001塔頂氣中的氫氣含量較高,摩爾分率高達28%,如果這部分氫氣進入到深冷回收系統(tǒng)中,這將影響膨脹機機型的選擇。但氫氣的制冷系數(shù)在回收氣體中是最小的,較大體積流量的氫氣進入深冷回收系統(tǒng)后制冷效率沒有得到明顯的提升。同時對于高氫氣含量的尾氣,吹掃氣體的循環(huán)使用會造成氫氣在系統(tǒng)內(nèi)的積累,從而出現(xiàn)回收效率進一步下降等一系列問題。因此建議在C-3001塔頂氣后增加氫膜,在進入深冷分離系統(tǒng)之前,脫去大多數(shù)氫氣,保證深冷系統(tǒng)運行穩(wěn)定高效。應用膜分離和深冷分離組合回收技術(shù)可以實現(xiàn)在回收溶劑(異丁烷)、乙烯的基礎上,氮氣流可以作為吹掃氣返回低壓閃蒸器中以減少新鮮氮氣的使用,由表2可以看出,排火炬氣體的氮氣含量在92.6%以上,引這一路氣體返回低壓閃蒸器,可以有效的減少乙烯在低壓閃蒸器內(nèi)的聚合,避免結(jié)塊等影響正常生產(chǎn)的情況發(fā)生,同時也能節(jié)省氮氣的消耗,顯著降低了原料成本。對該HDPE裝置采用膜分離及深冷分離改造搭建Aspen模型,表5是使用Aspen模擬膨脹機出口溫度與乙烯理論回收率對照表,通過該對照表可以分析膨脹機出口溫度的設定。在膨脹機出口溫度-130℃時,乙烯回收率為92.11%,回收乙烯(返回裂解裝置)中氮氣濃度10.22%,這不論從乙烯回收率還是氮氣濃度角度考慮,都是較理想的范圍。如果膨脹機出口溫度進一步降低,乙烯的回收率進一步提升但效果有限,為了降低膨脹機出口溫度,設計時就需要設計應用在較高轉(zhuǎn)速下的膨脹機,這對膨脹機的選型和使用壽命都有一定影響,將提高膨脹機的初始投資。同時膨脹機出口溫度提高之后,回收乙烯(返回裂解裝置)中氮氣濃度會提高,較高濃度的氮氣會對上游裂解裝置的穩(wěn)定運行造成影響。因此綜合考慮,膨脹機出口溫度設置在-120~-130℃對系統(tǒng)長期穩(wěn)定操作比較有利。5膜分離和深冷分離回收技術(shù)淤漿法高密度聚乙烯裝置的物料損失主要為排放氣回收系統(tǒng)的尾氣排放損失,經(jīng)過傳統(tǒng)的壓縮、冷凝回收工藝,只能對異丁烷和乙烯進行部分回收,但如果將回收氣直接引入低壓閃蒸罐進行吹掃,將會對裝置穩(wěn)定運行帶來隱患。膜分離和深冷分離組合回收技術(shù)改造方案可以