聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统的制作方法

本实用新型涉及石油化工行业的环保技术领域，尤其涉及一种聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统。

背景技术：

聚烯烃是由许多相同或不同的简单烯烃分子(如乙烯、丙烯、1-丁烯、1-戊烯等)经过加聚反应形成的高分子化合物，其中以聚乙烯和聚丙烯最为重要。由于原料丰富、价格低廉、容易加工成型、综合性能优良，聚烯烃在生产和生活的各个领域均有着广泛的应用。聚烯烃的生产方法有高压聚合和低压聚合(包括溶液法、浆液法、本体法、气相法)。

聚烯烃的生产通常存在一个共同的问题，即在生产过程中有大量排放气产生，如为了控制聚合反应过程中惰性气体的含量而从反应器排出反应驰放气。这些排放气主要来自反应器、闪蒸罐、脱气仓等装置，含有大量未反应的烯烃单体、共聚单体、氢气、氮气、反应副产物、烷烃杂质及诱导冷凝剂。为了提高原料利用率，降低生产成本，上述排放气需要采取一定的技术手段，回收其中的有效组分送回反应系统，不凝气则排放至火炬燃烧处理(这部分气体称之为排火炬气)。传统的回收工艺一般采用压缩冷凝法，其流程为先低压冷凝再高压冷凝，即排放气先经低压冷凝器冷却到一定温度(一般为-5℃)后送入低压冷凝罐，未冷凝的气体则由压缩机增压，经高压冷凝器冷却到一定温度(一般为-10℃)后送入高压冷凝罐，分离得到的高压冷凝液与低压冷凝液送回反应系统，而不凝气则排往火炬。

在常压下，乙烯的沸点是-103.9℃，丙烯的沸点是-47.4℃，1-丁烯的沸点是 -6.3℃。显然，压缩冷凝法可以实现对排放气的初步回收(C4及以上组分)，沸点较低的组分如乙烯、丙烯则仅能回收一部分，大部分都作为排火炬气燃烧处理。其中，乙烯/丙烯是聚乙烯/聚丙烯的主要原料，直接烧掉非常可惜。于是有研究者提出“压缩冷凝+膜分离”集成的方法以提高轻烃组分的回收效率，如美国专利US 5769927提出将该方法用于聚丙烯排放气回收，但是膜分离的作用仅为提浓，富丙烯气还需要返回进一步压缩、冷凝，因而循环量大于初始排放量，这导致压缩和冷凝阶段相应的设备投资和能耗都显著增加；中国专利CN1228366C提出了“压缩冷凝+真空回收+膜分离”集成的方法，根据专利中所述，二级膜分离的出口气体中还有10～20％的丙烯，而处理方式是送入火炬管道排空燃烧。

由上所述可知，经压缩冷凝和膜分离两步处理后，排火炬气仍然含有烯烃单体等有用组分，存在继续回收处理的可能性。于是有研究者(中国专利CN1048417C、CN202485331U、CN103520946B)提出在膜分离之后采用深冷分离的方法进一步回收轻烃。其中，专利CN202485331U和CN103520946B提供的深冷分离部分采用透平膨胀技术获得冷量，其优点是充分利用了膜分离尾气自身的压力能，不需要额外增加动力设备，节省了设备投资和占地，同时还回收了膜分离尾气中部分烃类物质。仅从膜分离尾气回收的角度看，上述方法优势明显，但是在更大一些范围内(即聚烯烃排放气回收系统整体)分析，其局限性也很明显。其一，系统能获得的冷量受限于膜分离尾气的操作条件和膨胀出口尾气的要求，如膜分离尾气压力较低或膨胀出口尾气压力要求较高，会出现冷量不足的情况，从而导致烃类物质回收率下降，即可操作的空间较小；其二，膨胀出口尾气压力低，这对进一步回收造成困难，如采用PSA技术回收尾气中的氢气或氮气时，需要增设压缩机；其三，回收得到的烃类物质压力较低， 如返回反应系统，当采出是气相时需增设压缩机，当采出是气液两相时需增设压缩机和换热器；其四，生产工艺、产品牌号调整以及排放气来源多样性导致了排火炬气的工况频繁波动，给整套装置长期平稳运行带来压力，这是因为透平膨胀机转速高达数万转/分，在尾气流量或压力波动导致转速大幅变化时，极易导致透平膨胀机的转子损坏。综上所述，只有在膨胀后尾气直接排火炬，回收得到的烃类物质作为燃料使用，同时厂家对烃类物质回收率的要求不太高的情况下，专利CN202485331U和CN103520946B提供的方法才具有优势；反之，虽然回收膜分离尾气本身不需要动力设备，但在下游可能需要增加更多的动力设备，整体核算下来能耗和投资并不低。

技术实现要素：

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本实用新型提供一种聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统。

一种聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统，其包括连通至板翅式换热器120的干燥器110、气液分离器130、低温泵140、氮气压缩机150及透平膨胀机160，排火炬气经所述干燥器110处理后送至所述板翅式换热器120降温，其后送至所述气液分离器130进行气液分离，气相物质经所述板翅式换热器120复温后送至后处理单元，液相物质经所述低温泵140增压后再经所述板翅式换热器120复温返回至反应系统；低压氮气经所述氮气压缩机150增压后送至所述板翅式换热器120预冷，其后经所述透平膨胀机160膨胀、降温，再返回所述板翅式换热器120复温至常温后送入所述氮气压缩机150的入口形成循环制冷。

本实用新型一较佳实施方式中，所述板翅换热器120出口的排火炬气温度范围为-50～-150℃。

本实用新型一较佳实施方式中，所述低温泵140的出口压力范围为2MPa～5MPa。

本实用新型一较佳实施方式中，所述低温泵140为柱塞泵或离心泵。

本实用新型一较佳实施方式中，所述干燥器(110)、所述气液分离器(130)、所述低温泵(140)和所述板翅式换热器(120)的加热端共同构成所述聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统的原料侧，所述氮气压缩机(150)、所述透平膨胀机(160)和所述板翅式换热器(120)的制冷端共同构成所述聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统的循环制冷端，所述原料侧和所述循环制冷端相对独立。

一种聚烯烃排火炬气的深冷分离回收方法，其包括如下步骤：

S101、排火炬气经干燥器110处理后送至板翅式换热器120进行降温；

S102、降温后的排火炬气送至气液分离器130进行气液分离，气相物质经所述板翅式换热器120复温后送至后处理单元，液相物质经低温泵140增压后再经所述板翅式换热器120复温，然后返回至反应系统；

S103、低压氮气经氮气压缩机150增压后送至所述板翅式换热器120预冷，预冷后的低压氮气经透平膨胀机160膨胀、降温，再返回所述板翅式换热器120复温至常温，其后送入所述氮气压缩机150的入口形成循环制冷。

相对于现有技术，本实用新型提供的聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统采用氮气循环膨胀工艺取代尾气膨胀工艺，最大化回收排火炬气中的烃类物质，同时便于下游更方便的利用该烃类物质和进一步处理尾气，从而在整体上实现回收系统的最优化设计。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例提供的聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统 的组成示意图；

图2为本实用新型第二实施例提供的聚烯烃排火炬气的深冷分离回收方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本实用新型第一实施例提供一种聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统100，其包括连通至板翅式换热器120的干燥器110、气液分离器130、低温泵140、氮气压缩机150及透平膨胀机160，排火炬气经所述干燥器110处理后送至所述板翅式换热器120降温，其后送至所述气液分离器130进行气液分离，气相物质经所述板翅式换热器120复温后送至后处理单元，液相物质经所述低温泵140增压后再经所述板翅式换热器120复温返回至反应系统；低压氮气经所述氮气压缩机150增压后送至所述板翅式换热器120预冷，其后经所述透平膨胀机160膨胀、降温，再返回所述板翅式换热器120复温至常温后送 入所述氮气压缩机150的入口形成循环制冷。

可以理解的是，所述干燥器110、所述气液分离器130、所述低温泵140和所述板翅式换热器120的加热端共同构成所述聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统100的原料侧，即排火炬气回收端；所述氮气压缩机150、所述透平膨胀机160和所述板翅式换热器120的制冷端则共同构成所述聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统100的循环制冷端；优选地，所述原料侧和所述循环制冷端相对独立。

本实施例中，所述干燥器110的入口接通排火炬气，出口通过管道连通所述板翅式换热器120。来自上游工序的物料(即排火炬气，流股1)经过所述干燥器110处理及所述板翅式换热器120降温后，其常压露点降至-70℃后送至所述液化分离器130。具体地，所述干燥器110处理合格的物料(流股2)送入所述板翅换热器120，经过逐级降温至-50～-150℃(具体温度根据物料组成而定)后，送入(流股3)所述气液分离器130。

本实施例中，所述气液分离器130的入口通过管道连通所述板翅式换热器120，排出气相物质的出口通过管道连通所述板翅式换热器120，排出液相物质的出口通过管道连通低温泵140的入口，所述低温泵140的出口通过管道连通所述板翅式换热器120。物料经所述气液分离器130气液分离后，得到的气相物质(流股5)经所述板翅换热器120复温后(流股7)送至后续工序进一步回收处理，得到的液相物质(流股4)经所述低温泵140增压至2～3.5Mpa(具体压力根据反应系统的需要而定)后，再经所述板翅换热器120复温(流股8)，然后返回至反应系统。

本实施例中，所述板翅式换热器120的两个出口分别通过管道连通后处理单元和反应系统(图未示)，分别输送气相物质和液相物质。

本实施例中，所述板翅式换热器120、所述氮气压缩机150及所述透平膨胀机160通过管道连通形成氮气循环膨胀制冷的通道。低压氮气(流股12)先经所述氮气压缩机150增压，送至(流股9)所述板翅换热器120预冷(流股10)，经所述透平膨胀机160减压、降温(流股11)，然后返回所述板翅换热器120复温至常温(流股12)，最后送入所述氮气压缩机150的入口。经过上述过程不断循环往复，膨胀后的氮气的温度逐渐降低，从而为整个聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统100提供冷量。

可以理解的是，所述板翅换热器120出口的排火炬气温度根据排火炬气的具体组成而定，优选地，所述板翅换热器120出口的排火炬气温度范围为-50～-150℃。

本实施例中，所述气液分离器130分离得到的气相物质(尾气)不做节流，以稍低于进料(排火炬气)压力送出聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统100。

本实施例中，所述气液分离器130分离得到的液相物质(即液态烃类物质)利用所述低温泵140实现增压，其出口压力根据反应系统的需要而调整，一般情况下其范围为2MPa～5MPa，即所述低温泵140的出口压力范围为2MPa～5MPa。当然，并不局限于此，也可增压至几十MPa以上。优选地，所述低温泵140为柱塞泵或离心泵。

请参阅图2，本实用新型第二实施例提供一种聚烯烃排火炬气的深冷分离回收方法，其包括如下步骤：

S101、排火炬气经干燥器110处理后送至板翅式换热器120进行降温。

即来自上游工序的即物料(即排火炬气)经过所述干燥器110处理后，送至所述板翅式换热器120逐级降温至-50～-150℃，以送入所述气液分离器130。本实施例中，物料的常压露点降至-70℃后送至所述气液分离器130。

S102、降温后的排火炬气送至气液分离器130进行气液分离，气相物质经所述板翅式换热器120复温后送至后处理单元，液相物质经低温泵140增压后再经所述板翅式换热器120复温，然后返回至反应系统。

即降温后的排火炬气经所述气液分离器130气液分离后，得到的气相物质经所述板翅换热器120复温后送至后续工序(后处理单元)进一步回收处理，得到的液相物质经所述低温泵140增压至2～3.5Mpa后，再经所述板翅换热器120复温，然后返回至反应系统。

S103、低压氮气经氮气压缩机150增压后送至所述板翅式换热器120预冷，预冷后的低压氮气经透平膨胀机160膨胀、降温，再返回所述板翅式换热器120复温至常温，其后送入所述氮气压缩机150的入口形成循环制冷。

由此，经过上述过程不断循环往复，膨胀后的氮气的温度逐渐降低，从而为整个聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统100提供冷量。

实施例

某石化公司全密度聚乙烯生产装置的排放气采用压缩冷凝法回收，尾气排放至火炬，其中排火炬气工况参数的实测值如表1所示。其压力范围为1.1～1.6(典型值为1.3)MPa(G)，温度范围为-15～0(典型值为-10)℃，流量为900～1200(典型值为1045)Nm3/h。

表1排火炬气组成实测值(v％)

排火炬气(流股1)首先进入干燥器110处理，待露点达到-70℃左右，送 至板翅换热器120，温度逐级下降至-120℃，然后送至气液分离器130，分离得到的气相物质经板翅换热器120复温后送出界区(流股7)；分离得到液相物质经低温泵增压至3.2MPa(G)后，经板翅换热器复温后送至反应系统(流股8)。

排火炬气经深冷分离装置分别得到尾气(即气相物质，流股7)和烃类物质(即液相物质，流股8)。其中流股7的参数为：压力1.28MPa(G)、温度12℃、流量为873.6Nm3/h，其组成如表2所示；其中流股8的参数为压力3.2MPa(G)、温度12℃、流量为171.4Nm3/h，其组成如表3所示。

表2尾气组成(v％)

表3烃类物质组成(v％)

可知所述聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统100可以很好地回收排火炬气中的烃类物质，便于下游更方便的利用该烃类物质和进一步处理尾气，从而在整体上实现回收系统的最优化设计。

本实用新型提出的聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统100具有如下优点：其一、氮气膨胀循环制冷系统独立于排火炬气分离系统，受进料工况波动影响较小(因工艺、产品牌号改变或其他突发原因导致的波动)，运行相对平稳，降 低了透平膨胀机160损坏的风险，具有较强的适应性和可靠性。其二、正是由于氮气膨胀循环制冷系统是独立的，在开车阶段可以先运行制冷系统，待温度降到一定值后，再慢慢引入排火炬气，可以有效减少烃类物质的浪费。其三、由于排放气的压力低于反应系统，不论采用何种方法回收得到的烃类物质都必须增压后才能返回反应系统；本实用新型提出在烃类物质处于低温、液态条件下采用低温泵140实现增压，与先节流降压再复温然后采用压缩机增压的方法相比，在投资、占地、能耗、安全等方面都具有极大的优势。其四、气相物质(尾气)中的氮气含量较高，同时以较高的压力排出，除了克服管道阻力之外几乎没有压力损失，可方便尾气进一步回收或者利用，如作为脱仓气(料仓吹扫气)使用。其五、所述聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统100特别适用于旧厂改造升级，在原装置后新增一套深冷分离装置，而原有装置不需要做任何改动；对经压缩冷凝法或者压缩冷凝加膜分离集成方法处理后的排火炬气均适用，只需在设计参数上稍作改动即可。

另外，聚乙烯和聚丙烯生产过程的尾气组成相似，完全可以采用相同回收方法，仅仅在设计参数上有所差别。故本实用新型的聚烯烃排火炬气的深冷分离回收系统100同时适用于聚乙烯和聚丙烯排火炬气以及具有近似成的排放气回收利用。同时，所述聚烯烃排火炬气的深冷分离回收方法的步骤简单易行，便于推广应用。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。