李梦琪
大庆石化公司塑料厂低压聚乙烯车间 黑龙江大庆 163714
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
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。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，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。
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。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。
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，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。
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。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。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。
3 低压溶剂回收工艺方案
3. 1 膜回收工艺
在某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。
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 MPa G，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。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
某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，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. 025MPaG 提升到0. 225MPaG，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。
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。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% 。
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。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。
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 MPa G 最高升压到 0. 225 MPa G。如果设计的脱烷基塔可以有效地把尾气中含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，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。
总论：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。
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