膜回收及吸收组合工艺回收干气中液化气组分

周超强 许丹 张宏利

摘      要：以某厂的实际应用为例，介绍了一种从干气制燃料油的尾气中回收低浓度液化气组分的工艺方法。该方法应用了膜回收结合汽油吸收、柴油吸收的组合工艺，实现了低能耗、高效地回收尾氣中的液化气组分。在保证液化气组分回收率的前提下，以下游装置可接收性及整体经济效益为指标， 通过Aspen plus工艺流程模拟软件优化了汽油吸收及柴油吸收的工艺操作条件。装置稳定运行后标定数据表明，该工艺实现该尾气中C3及以上轻烃组分回收率达到94%以上，年回收液化气组分约2 500 t，具有良好的经济效益及社会效益。

关  键  词：干气;液化气;膜回收;吸收

中图分类号：TQ 028       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）08-1728-05

Abstract： Taking a practical application in a refinery as an example， an effective process recovering LPG components from the lean tail gas of dry gas to fuel oil unit was introduced. This method innovatively adopts the combined process of membrane recovery technology， gasoline and diesel absorption to achieve the low energy consumption and high recovery rate target. Taking the overall economic benefit and the compatibility of downstream units into consideration as indexes， the parameters of the absorption process were optimized by Aspen plus simulation during the process planning procedure. According to the calibration data after the stable operation of the unit， the recovery rate of C3+ in lean tail gas exceeded 94%， about 2 500 tons of LPG was recovered annually， which obtained good economic and social benefits.

Key words： Dry gas ; LPG; Membrane recovery ; Absorption

炼油厂的干气主要来自原油的二次加工过程，如催化裂化、催化重整、加氢处理、延迟焦化等装置[1]。炼厂干气的回收和利用是提高资源综合利用和增加企业经济效益的必要手段，如何能高效、可靠地实现干气资源的回收利用已经成为人们关注的一个重要课题[2]。炼厂的催化干气中乙烯组分含量可观，目前在催化干气中乙烯的回收方法中，催化裂化干气制燃料油是利用高活性、高稳定性催化剂，让干气中的乙烯经过叠合、环化、脱氢、氢转移和异构化等反应生成高辛烷值的汽油组分、柴油组分及低烯烃含量的液化气的工艺[3]。

某炼厂现有一套催化干气制燃料油装置，干气中烯烃经反应后回收生成的柴油、汽油组分，反应剩余的贫烯尾气排放至燃料气管网。为维持燃料气系统的平衡，排放的贫烯尾气只有一部分补充至全厂燃料气，剩余部分则排放至火炬系统燃烧。经现场跟踪测定，排放的贫烯尾气中含有可观的C3+液化气组分，是重要的化工原料，作为燃料气或者火炬气燃烧造成了严重的资源浪费。合理实现该气体中C3+轻烃的回收，可增加全厂液化气产量，减少资源浪费，有益于提高企业经济效益，提升企业竞争力，满足企业长期发展需求。

根据干气制燃料油装置的实际操作参数，其原料干气流量为51.4 t·d-1，生产燃料油量为4.5 t·d-1，副产的贫烯尾气排放流量约为2 350 Nm3·h-1，其中C3+的体积分数为5.79%，质量分数为15.99%。原外排的贫烯尾气具体组成见表1。

干气中液化气回收一般有深冷分离、吸收剂吸收、低温冷凝、膜分离等方法，也有直接将干气送至现有的分馏系统（如催化裂化主分馏塔）进行分离回收的方法。另有通过膜、PSA等技术对干气进行提浓后再进一步进行利用 [4] 的方法。何学坤等人[5] 对炼厂干气采用了膜分离加PSA分离回收氢气、油吸收回收轻烃的耦合工艺，实现了较好的经济效益。从表1中可知，本文考虑回收的贫烯尾气中C3+组分含量较低，贫烯尾气流量较低，宜采用工艺流程短且高效的回收工艺。传统的深冷分离、低温冷凝等工艺本身能耗巨大[6]，在此工况下将毫无优势。采用传统的吸收剂吸收法或将此尾气送回至吸收稳定单元，不仅存在吸收剂消耗量大的问题，而且还有所需设备尺寸过大、回收率低、消耗过高、大量的富吸收油对下游装置冲击巨大等问题。商先永[7]等人推荐的隔壁塔技术也不适合用于本文液化气干气原料的工况。

结合原料气的组成分析，本文根据贫烯尾气中C3+组分含量，采用了高分子膜提浓加上汽柴油吸收的方法来实现低能耗、高效回收其中的C3+组分。

1  高分子膜提浓设施

1.1  高分子膜提浓流程

因外排的贫烯尾气中C3+组分摩尔分数低，采用高分子膜进行选择性分离，既可将C3+组分提浓，又可以大大降低后续工艺所需处理的气体总量。

在进行分离膜选型时，根据现有贫烯尾气的排放压力作为膜前的渗透压，此工序无须新增压缩机等设备。为保证膜组的分离性能，原料气进入分离膜组前设置了聚结式过滤器，以去除原料气中夹带的液滴和杂质，聚結器后设置了电加热器将原料气温度控制在40 ℃，不仅能保证处于膜的高性能温度区间，也远离原料气的露点，防止可凝物在膜表面形成液膜而影响渗透膜的性能。分离膜渗余侧的干气组分直接排放至燃料气管网，而渗透侧提浓的含C3+干气继续通过汽油、柴油吸收流程回收其中的C3+组分。高分子膜对贫烯尾气提浓的流程示意图见图1。

1.2  高分子膜选择性分离效果

高分子有机气体分离膜技术是利用不同气体分子通过高分子分离膜的速度差异而将气体中不同组分选择性分开的技术[8]。本项目干气中C3+组分通过该有机分离膜的速率要比C3以下的分子通过速率快十倍以上。这样在膜的渗透侧得到C3+组分浓度高的干气，在膜的渗余侧形成了C3+组分含量极低的贫气，贫气可以送至燃料气管网作为燃料。本项目采用的高分子渗透膜得到的两侧的气体的组成及平衡关系见表2。

经膜分离得到的渗透侧提浓气体中的C3+组分含量得以大大提高，此时可以通过汽柴油吸收工艺来回收其中C3+组分。

2  提浓气中液化气的吸收

2.1  汽、柴油吸收工序的流程设置

经膜分离得到的渗透侧气体中的C3+组分通过吸收工艺进行回收，通过汽油、柴油吸收将C3+组分吸收至汽油、柴油中。渗透侧的提浓气体压力较低，为提高其吸收效率，需对气体进行加压。气体的压力对吸收效果影响较大，在同样吸收效率的前提下，压力高时所需吸收剂量少，设备尺寸小;反之，则需要更多的吸收剂及更大的设备尺寸。但是在提高吸收段操作压力时也需考虑气体增压时压缩机的操作成本。吸收用的汽油和柴油分别为催化装置来的稳定汽油及催化柴油。汽油、柴油均采用一次通过式，吸收了C3+组分的富汽油返回至催化裂化的解吸塔及稳定塔进行C3+组分的回收，富柴油则返回至催化裂化的分馏塔进行C3+组分的回收。汽、柴油吸收部分的工艺流程图见图2。

2.2  汽、柴油吸收工序操作条件的优化

经过高分子膜提浓的干气中C3+更易被吸收。影响吸收效果的主要参数有吸收压力、温度、吸收剂用量及吸收塔理论板数等。吸收温度受限于循环水温度等公用工程调节的限制，设置膜回收后提浓气体的温度为40 ℃。由于吸收后的富汽油和富柴油均需返回至催化裂化装置，在考虑到催化裂化装置接收能力及此部分增加的能耗，同时保证干气中C3+组分回收率的各种因素，对吸收段的吸收压力、两种吸收剂的用量通过Aspen plus软件进行了模拟优化。

2.2.1  模拟模型的建立

采用Aspen plus中的敏感性分析，在设定吸收后干气中C3+组分体积分数≤1%，对应的回收率为94%的前提下分析吸收段的操作压力对吸收剂用量的影响，并计算不同压力下压缩机所需的有用功进行了综合比较，以优化吸收系统的操作压力。

2.2.2  模拟优化结果

模拟计算结果表明，随着压缩机出口压力的升高，压缩机有用功逐步升高，在达到指定的回收率前提下所需的吸收用汽油、柴油的量逐步增加。通过不同压缩机出口压力对应的汽油、柴油量做出的关系图见图3。

由图3可以看出，压缩机出口压力从0.3 MPa（G）到0.9 MPa（G）提高的过程中，汽油、柴油吸收油量下降明显，从压力升至1.0 MPa（G）后，所需吸收油量随压力升高的减少趋势放缓。吸收系统压力提高后，压缩机所需功率持续升高。压缩机所需功率在0.3～0.7 MPa （G）阶段功率增加趋势较为明显，在  0.7 MPa （G）后曲线的斜率减小且基本近似保持一致。

根据模拟优化结果，从吸收部分的运行成本、设备的一次投资等方面综合考虑，吸收部分的压力控制在1.0 MPa（G），系统的压力降压缩机出口压力考虑为1.05 MPa （G），在此压力下对吸收部分进行模拟计算。

2.3  优化条件下的模拟计算结果

根据2.2节中模拟优化得到的吸收部分的操作条件进行汽油吸收、柴油吸收的详细模拟计算，计算得到所需的吸收用汽油、柴油用量，吸收后富汽油、富柴油量及得到的干气组成及量等计算结果见表3。所选压缩机功率、汽油吸收塔及柴油吸收塔规格见表4。

3  工程实际数据

3.1  实际运行数据

目前，该装置已良好且稳定运行4年。装置回收的液化气组分通过富吸收汽油、富吸收柴油带回催化装置的解吸塔及分馏塔。膜回收单元的进气、渗透侧气体及渗余侧气体量可以通过流量计进行计量，各股气体组成则通过采样分析得到。吸收单元的标定则可以通过进单元的汽油、柴油吸收剂用量，进单元的渗透侧气体量及出单元的富汽油、富柴油量来计算吸收量，并根据进、出吸收单元的气体组成分析及该装置投用前后催化裂化装置液化气产量的变化求出实际回收的液化气组分量。

3.1.1  膜分离部分运行数据

膜回收部分主要通过现场对膜进料气、渗透侧及渗余侧气体的采样分析数据及现场的质量流量计测量值，来得到实际运行时膜的分离性能。其现场采样分析的膜入口气、渗透气及渗余尾气组成见表5。

从表5可以看出，实际运行时进膜分离的气体量略大于计算时所考虑的气体量，渗透侧气体为   1 287 kg·h-1，其质量收率为63.68%。经计算进膜气体中C3+组分的总质量为321.37 kg·h-1，渗透侧气体中C3+组分的总质量为304.94 kg·h-1，膜回收部分C3+组分的质量回收率为94.89% 。对比表2中数据，实际运行时膜分离单元的选择性略优于其性能保证值。

3.1.2  吸收部分的运行数据

本装置汽、柴油吸收的液化气组分量可以大致从进、出装置的汽油、柴油质量流量计的差值求得。最终回收的液化气量则是通过对比装置投用前后催化裂化装置液化气产量的增值求得。现场所收集的数据见表6。

表6中改造前后催化装置液化气产量分别来自本液化气组分回收单元实施前、后一年内催化装置液化气产量的平均值。吸收用的汽油、柴油及吸收后的富汽油、柴油量均为一个月时间总量折算的平均值。从表6中数据可以得出，虽然吸收单元进气量与模拟计算考虑的气量相比略有增加，但是所需的吸收用汽油、柴油量比模拟计算值要低，应该是实际操作时汽油、柴油的进塔温度较低，加之吸收塔填料的理论板数可能略高理论计算时考虑的10块;车间操作优化也是一个原因。而从吸收效果看催化装置增产液化气量为303 kg·h-1，吸收单元进料气中C3+组分的质量回收率为99.36%，高于模拟值，且选择性比模拟值高（吸收非C3+组分量比模拟量低），相对于原料贫烯干气，C3+组分总回收率为94.28%。

3.2  装置经济指标

根据装置实际运行数据计算本单元的主要技术经济指标，结果见表7。

表7列出的实际运行中该装置年回收液化气总量为2 545 t，该炼厂液化气以民用液化气销售，每吨销售价格为4 230元，年收入为1 093.79万元，扣除每年843.92万元成本，年利潤总额为249.87万元。本项目原料贫气量较低，贫气中C3+组分质量分数仅为13.15%，如原料气量更大或C3+组分质量分数更高时其经济效益将更好。

4  结束语

本文以实际工程项目为例，探讨了炼厂贫干气中液化气回收的一种组合工艺——膜回收与吸收工艺结合的组合工艺，实现了低成本回收贫干气中液化气组分。通过工艺流程模拟优化了吸收段的操作工艺参数，实际运行结果与流程模拟结果比较吻合，该工艺在2 443 kg·h-1的干气中年回收液化气      2 545 t，液化气的总体回收率达到94.28%，年利润总额达到249.87万元，减少了资源的浪费，具有较好的经济效益和社会效益。

该组合工艺有工艺流程短、操作成本低、回收率高及操作稳定等优点，适用于干气中液化气含量较低时液化气的回收，为炼厂干气的高附加值组分回收利用开辟了一条新的途径。

参考文献：

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