膜分离技术在聚丙烯装置的应用

【摘 要】膜分离技术因其独特的优越性在聚丙烯装置中得到了广泛的应用。本文主要分析了膜分离技术在环保领域的应用、膜分离技术原理、膜分离技术的应用方案及工艺流程、膜回收系统的应用及现场运行状况，事实说明膜分离技术具有良好的经济和社会效益。

【关键词】膜分离；技术；聚丙烯；装置；应用

膜分离是一门出现于20世纪初，崛起于20世纪60年代的分离新技术。膜分离技术因为不仅可以完成分离、浓缩和纯化功能，并且还节能、环保，容易操作和控制，目前这种技术已经广泛运用在食品、医药、生物、环保等领域，产生的经济效益和社会效益是巨大的，已经成为分离科学中一种重要的手段。膜分离技术在聚丙烯装置生产中得到了广泛的应用。

1.膜分离技术在环保领域的应用

膜存在于大自然和生物体内，随着科技的发展，膜行业在逐渐得到规范。从上世纪60年代以来，膜分离从实验室转向了大规模的工业应用，成为了一项高效节能的新型分离技术，已经被广泛的应用于环境保护中，饮用水处理，废水排放的处理和气体排放中。

环境保护中的膜分离技术就是将废物（固体）、废液（液体）及废气（气体）处理后再利用，减少对周围环境的危害。废水排放中的膜分离技术就是将膜法结合排沉淀法、活性污泥法和蒸发法等方法一起处理废水，对于浓缩液有时可通过萃取方法提取有用物质，而多数情况则是固化后燃烧处理。饮用水的膜分离技术还常需用活性炭吸附机臭氧氧化分解处理。目前大气污染的情况比较恶劣，全球变暖和酸雨现象必须引起我们的重视，主要是需控制好排放气体，膜分离技术能有效处理排放气体，减少污染，但是此技术在这方面的使用还有待进一步完善。

2.膜分离技术原理

膜分离技术是一种高新分离技术，其核心为膜。膜分离技术主要是利用一种具有特殊选择性的有机高分子材料和无机材料，来制成不同形态结构的分离材料一膜，在一定的驱动力作用下，使双元或多元组分的特定组分因透过膜的速率不同，从而达到分离或者特定组分密集的目的。

膜分离原理是根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异来完成分离。在橡胶态聚合物膜中可凝性有机蒸气（如丙烯）与惰性气体（如氮气）相比，前者有较大的溶解度，被优先渗透，如丙烯和氮气混合物通过膜变成渗透流（富丙烯流）和非渗透流（富氮气流），从而达到丙烯提浓分离的目的。有机蒸气膜法回收系统主要采用“反向”选择性高分子复合膜。根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异和分子大小不同的穿透性能的差异，在一定的压差推动下，可凝性有机蒸气（如乙烯、氯甲烷、氯乙烯、丙烯、重烃等）与惰性气体（如氮气、甲烷、氢气、氩气等）相比，会被优先吸附渗透，从而达到分离的目的。

聚丙烯装置采用有机蒸气膜回收系统，先使低浓度的丙烯得到富集，再经压缩/冷凝回收，从而提高丙烯的回收率。实际上，不凝气中丙烯的回收过程是压缩/冷凝/膜分离组合工艺（简称CCM系统），它是一个零排放的“绿色工艺过程”。

3.膜分离技术的应用方案及工艺流程

我公司引进的全套膜分离系统由3个膜分离器并列组成，膜分离装置的进料气为丙烯贮罐原排至火炬的不凝气。在聚丙烯闪蒸过程中有大量的惰性气体氮气伴随丙烯气一起进入气柜，经压缩后这些氮气在液相丙烯贮罐顶排出（即膜回收原料气），由于不凝气中含有大量没有被压缩为液相的丙烯气体，排火炬时造成丙烯资源的浪费。在液相丙烯贮罐顶排放的不凝气经分液罐精滤器除去其中含有的液滴丙烯、水和粉尘，净化后的气体进入膜回收装置，在一定的压差推动下，渗透侧得到的富集丙烯、丙烷渗透气返回气柜，丙烯含量很少的尾气放空或进火炬系统。

4.膜回收系统的应用

4.1流程简述

膜法回收系统主要采用“反向”选择性高分子复合膜。在一定的渗透推动力作用下，根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异，丙烯气体被优先吸附渗透，从而达到分离的目的。分液罐排出的不凝气（也称为膜回收装置原料气），首先经聚结过滤器（F101），脱除气体中含有的固体杂质和微小液滴。原料气经聚结过滤器、被电伴热带在管道中加热约高出其露点温度2～8℃后进入两级膜分离（M101/M102）。在一定的压差推动下，渗透一侧得到的富集丙烯气回气柜，尾气一侧气体去装置放空系统。

膜回收系统设有两个流量计，进入膜法丙烯回收系统的气体流量，由原料气流量计（FIQ101）指示；离开膜法丙烯回收系统的尾气流量，由尾气流量计（FIQ102）指示。

本系统与分液罐上原排放系统并联，在膜回收系统停车或联锁停车情况下，原排放系统投用，同时关闭膜系统进出口阀，可保证不因膜系统影响聚丙烯装置的正常生产和压缩机的正常工作。

4.2影响膜分离效果的因素

压力对于膜回收系统而言，压力越高，分离效果越好，当压力低于1.65MPa时，部分液相丙烯进入膜系统而吸附于分离层，导致膜内件损坏。

温度对膜分离起决定性的作用。当温度升高时，丙烯的渗透性增加，回收率提高；但是过高的温度会使膜层分离，损坏膜片。温度低，丙烯的渗透性下降，温度过低，会使部分液相丙烯吸附于分离层，导致膜件损坏。实践证明膜的最佳使用温度为20～25℃。

流量由于单膜处理量的限制，排放气体的流量将直接影响到丙烯的回收率。如果排放气体量过大，会导致大量的丙烯无法处理而直接排放，同时膜的处理量也会增加，缩短了膜的使用寿命，所以合理的调节生产过程中气体的排放量与膜的处理量的匹配显得尤为重要。

4.3回收率

膜的回收率是膜回收装置工作性能的重要指标，它主要受排放气体流量、排放气中丙烯的含量、分液罐的压力、温度、膜系统的压力、操作人员的操作等因素的影响，回收率一般都在90%左右。

5.现场运行状况分析

该套膜分离系统自运行以来，分离性能稳定，达到了设计的运行标准，现仍在正常运行。正常运行条件下，以冷凝器排放气组成作为膜分离器的入口组成，处理量70-250m3/h。在运行过程中，控制膜分离后的尾气中氮气的体积占到了10%～15%。使用CCM系统后，气柜中的氮气体积分数由8%升高到12%，这将增加压缩机的功率消耗，但对系统影响不大。

从膜分离系统现场运行数据来看，虽然进入膜分离器的原料气的组成与处理量波动较大，但膜的分离性能基本维持稳定。特别是排放尾气中的丙烯体积分数小于15%。尽管在运行过程中，原料的处理量和组成发生波动，但丙烯的回收率基本保持在90%以上。

总之，膜分离技术的效果是相当明显的。应用此技术可回收不凝气中超过85%的丙烯，每年可增加丙烯回收量400t以上，从而使聚丙烯生产用丙烯消耗下降，成本降低。由于排放丙烯量大大减少，保护了环境，对熄灭火炬工作起到了一定的作用。膜分离装置投资回收期为4～6个月。蒸气膜分离技术回收丙烯的成功，对石化装置其它有机蒸气的回收有很好的借鉴作用。膜系统为企业创造较高经济效益的同时也消除了企业因不凝气造成的安全隐患，使企业更环保，更安全。膜法丙烯回收系统运行的高效和稳定性也将引导未来丙烯回收系统的发展趋势。

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