图解法炼厂气中H2/LHCs膜耦合回收工艺设计与优化

作     者：胡安（Juan Aron Stron Perez） 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖武

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：炼厂气制氢/轻烃 图解合成法 膜分离 优化 技术经济分析 

摘      要：氢气是炼油厂加工烃类和提高油品质量的重要原料气,但是在工业上氢气的制备成本高,其主要来源于化石资源。在石油炼制过程中,会产生大量富含氢气和烃类等高价值组分的炼厂气,常被作为燃料气直接燃烧,造成了严重的资源浪费。因此,利用高效的分离方法和工艺设计,从炼厂气中回收氢气是近年来重要的提高氢气利用效率的方法。但是,炼厂尾气存在来源复杂、多组分、分离方法多等特点,确定合适的分离方法和优化的分离序列十分困难,因此存在“组合爆炸的问题。基于以上问题,本论文基于三角坐标-矢量分析的图形设计法,得到了10股炼厂气综合回收的优化分离序列流程和设计方案,基于流程模拟,结合灵敏度分析和响应面法,对其过程参数进行优化,以及对整个过程系统进行技术经济评价,实现了氢气、轻烃等资源组分的高效回收。首先,在三角坐标系下,以组分的产品归属及分离性质相似程度为合并法则,将原料简化为燃料气、氢气和轻烃构成的三元体系,将来自中国某石化公司的10种股不同成分的炼厂尾气标注在三角坐标体系中。根据炼厂气组成的特点,将位于三角坐标系同一分离单元优势区域的原料气进行合并,得到两个混合物流,分别落在变压吸附(PSA)分离区的F1和浅冷(SC)分离区的F2。基于该两个混合原料物流,通过绘制对应的分离单元矢量对,依次确定对应的分离方法,得到最终的包含浅冷(SC)、氢气膜分离(GPM)、轻烃膜分离(RPM)和变压吸附(PSA)四种技术的梯级耦合回收工艺。最后采用多塔精馏工艺对冷凝轻烃进行分离,得到液化石油气(LPG)、轻石脑油(C+)和乙烷(CH)等产品。然后,利用Uni Sim Design对整个过程进行模拟,通过灵敏度分析初步确定了膜面积(GPM和RPM)切割比、膜渗透侧压力、精馏塔回流比和塔板数等过程参数适宜值,充分利用分离过程的“双向富集效应。结果表明,当GPM和RPM的面积分别为3772.6m和600 m时,GPM和RPM的级切割分别为0.51和0.80。最后,利用响应面方法(RSM)对过程参数进行优化。根据所建立的流程模型,首先通过基于(Central Composite Design,CCD)的实验设计方法筛选出对年度总收益(TAP)具有显著性影响的因素:GPM膜面积、RPM膜面积和压缩机K-2的出口压力,然后通过最陡爬坡法确定响应面分析的中心点,最后根据Box-Behnken中心组合实验设计原理,拟合了TAP与三个关键因素的关联方程并进行响应面分析,得出冷凝-膜-PSA-精馏耦合系统的最优操作参数使TAP最大。通过对工艺方案进行经济评估,确定了年度运营费用和总投资,结果表明优化方案的年生产总利润为38.62×10美元,投资回收期小于4个月,氢气和轻烃回收率分别达到96%和99%,氢气生产单耗仅0.227 k Wh·Nm,与国外专利技术相比,能耗减少幅度达27%。