氢回收装置处理能力不足及渗透气中氢含量低
的原因分析及解决措施
茹文杰
（云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司，云南 开远 661600）
［摘 要］ 云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司二甲醚厂氢回收装置在甲醇合成催化剂使用末期，由于甲醇合成弛放气量增大，出现氢回收处理能力不足以及渗透气中氢含量低而无法满足生产需求的问题，就此进行原因分析并实施技术改造后，实现了甲醇合成装置弛放气的完全处理，提高了氢气的回收量，为整个甲醇合成系统的安全、稳定、长周期运行和稳产、高产打下了基础。
［关键词］ 氢回收装置；普里森膜；处理能力；渗透气氢含量；原因分析；技术改造
［中图分类号］ TQ 051.8+93 ［文献标志码］ B ［文章编号］ 1004-9932（2017）01-0054-03
0 引 言
云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司二甲醚厂氢回收装置于2008年7月建成投产，其主要任务是将甲醇合成装置送来的弛放气经水洗塔洗涤和进料加热器加热后送入普里森膜分离器进行分离，在渗透侧得到氢含量高的渗透气，送合成气压缩机与低温甲醇洗系统来的净化气混合后作为原料气，非渗透气则直接送合成氨厂尾气制氨系统。
氢回收装置原设计有9台膜分离器，弛放气设计处理量25 312 m3/h。装置投用以来，一直运行平稳。在甲醇合成催化剂使用寿命前期，氢回收装置可以满足生产需求，但2012年以后，由于甲醇合成催化剂使用寿命进入中后期，系统弛放气量上升，大多数时候在30 000 m3/h以上，超出氢回收装置的处理能力；同时，渗透气中的氢含量也达不到设计要求，大量氢气不能得到回收利用，造成原料气的浪费，致使甲醇合成系统生产成本上升。为此，对氢回收装置处理能力不足以及普里森膜出口渗透气中氢含量低的原因进行分析，并实施相应的技术改造，解决了存在的问题，氢回收装置得以正常生产，甲醇合成系统生产成本得到降低。
1 氢回收装置工艺流程及普里森膜的工作原理
1.1 氢回收装置工艺流程
甲醇合成装置送来的弛放气（5.4 MPa、40 ℃）进入膜分离氢回收装置界区水洗塔，用来自界区外的高压脱盐水洗涤其中带有的少量甲醇（甲醇随洗涤软水一起送往甲醇精馏系统），洗涤后气体（42 ℃）中的甲醇含量在1 000×10-6以下，进入气液分离器除去夹带的雾沫；离开气液分离器的气体含有饱和水蒸气，为避免水蒸气在膜分离器渗透侧浓缩后凝结，同时为了使膜分离器处于最优化的工作状态，设置有一进料加热器（加热介质为低压蒸汽，通过调节阀进行温度调节，并设有原料气温度高、低报警及联锁），将出气液分离器的气体加热至65 ℃后送入膜分离器。经分离，2.5 MPa的渗透气经氢气冷却器冷却后送合成气压缩机予以回收，非渗透气则送合成氨厂尾气制氨系统。
1.2 普里森膜的工作原理
普里森膜（即中空纤维膜）的基本工作原理是，利用一种高分子聚合物（通常是聚酰亚胺或聚砜）薄膜来选择“过滤”进料气而达到分离的目的。由于气体组分在高分子聚合物中的溶解扩散系数存在差异，其渗透通过膜壁的速率不同，因此可将气体分为“快气”（如H2O、H2、He等）和“慢气”（如N2、CH4及其他烃类等）。混合气体在驱动力——膜两侧相应组分分压差的作用下，渗透速率相对较快的气体优先通过膜壁而在低压渗透侧富集，而渗透率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集。
普里森膜分离系统的核心部件是一构型类似于管壳式换热器的膜分离器，数万根细小的中空纤维丝浇铸成管束置于承压管壳内。混合气体进入分离器后沿纤维的一侧轴向流动，“快气”不断通过膜壁在纤维的另一侧富集，通过渗透器出口排出，而滞留气则从与气体入口相对的另一端非渗透气出口排出。
2 存在的问题
2.1 氢回收装置处理能力不足
氢回收装置原设计有9台膜分离器，弛放气设计处理能力25 312 m3/h。甲醇合成催化剂使用前期，产生的弛放气量在氢回收装置处理能力范围之内，氢回收装置可以满足生产需求，但甲醇合成催化剂使用寿命进入中后期以后，系统弛放气量上升，大多数时候在 30 000 m3/h以上，超出氢回收装置的处理能力，导致甲醇合成系统无法加负荷。
2.2 膜分离器出口渗透气中氢含量过低
目前，我国绝大多数合成氨以及甲醇项目都应用了膜分离氢回收技术进行节能改造，全国已有100多套膜分离氢回收装置投产。普里森膜分离系统用于合成氨以及合成甲醇弛放气氢回收时，一级分离的回收率和产品氢纯度可同时到达92%以上；若需高纯度氢气，可串联二级或三级分离，这样产品氢纯度分别可达99.5%和99.99%以上。
正常生产时，我公司膜分离氢回收装置渗透气氢纯度可达90%以上，但在甲醇合成系统弛放气达30 000 m3/h以上时，普里森膜分离器出口渗透气中的氢含量就远低于工艺指标（≥85%）了，只有30%左右。
3 原因分析
3.1 氢回收装置处理能力不足的原因分析
氢回收装置有9台膜分离器，弛放气设计处理能力25 312 m3/h。在甲醇合成催化剂使用寿命前期，其活性较好，甲醇合成转化率高，产生的弛放气量少，氢回收装置可以满足生产需求，但是甲醇合成催化剂使用寿命进入中后期以后，其活性明显下降，甲醇合成转化率低，弛放气量上升，多数时候在30 000 m3/h以上，超出氢回收装置处理能力。
3.2 渗透气中氢含量低的原因分析
膜的分离选择性（即各气体组分渗透量的差异）、膜面积和膜两侧的组分分压差等三要素决定了普里森膜的分离效果。其中，膜分离的选择性取决于制造商选用的膜材料及制备工艺，是决定膜分离系统性能和效率的关键因素。
更多内容详见《中氮肥》2017年第1期