基于膜分离原理的化工废气回收工艺
此文是上海梅思泰克环境股份有限公司发布于《第一期挥发性有机物(VOCs)污染治理与监测技术培训班教材》上的技术论文。今分享，飨读者。
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基于膜分离原理的化工废气回收工艺
赵萱李欢欢李云玲黄健翔
（上海梅思泰克环境股份有限公司，上海，200433）
摘要：化工废气是指在化工生产中由化工厂排出的有毒有害的气体，物理和化学性质复杂，严重污染环境和影响人体健康。膜分离技术是一种新分离方法具有能耗低、单级分离效率高、过程简单、不污染环境等特点。采用膜分离技术不仅对生产装置的节能降耗起到了积极的作用，同时也取得了良好的经济效益和社会效益。
关键词：化工废气、精馏、膜分离技术、丙烷、丙烯
1.引言
化工废气是指在化工生产中由化工厂排出的有毒有害的气体，物理和化学性质复杂，严重污染环境和影响人体健康。具有种类繁多、组成复杂且具有一定的毒性、污染物浓度高、污染物面广、危害性大等特点，较难治理。
主要污染物为：颗粒物、硫化物、有机蒸汽、碳氢化合物等。这些被排放的气体中，相当一部分有机混合物经过分离后，可以回收再利用为工厂每年可节省上百万的成本费用，但是这些气态混合物中常常存在恒沸物、近沸点物及同分异构物，用普通的精馏方法不能或者很难分离。需要恒沸精馏或者萃取精馏，这不但使分离过程复杂化，设备投资增加，操作费用上升，而且不能避免第三组分的损失及对产品的污染。
当利用传统方法，不能经济、合理地进行分离回收时，膜分离过程作为一种分离技术便凸显其优势所在。
2.膜分离技术的发展
膜分离技术自20世纪60年代工业化后，其应用日趋拓宽。膜分离是利用特殊制造、并具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物进行过滤、分离、提纯、浓缩的一种新分离方法。
与常规分离方法相比，膜分离过程具有能耗低、单级分离效率高、过程简单、不污染环境等特点，是解决当代的能源、资源和环境等问题的重要高新技术，在化工、环保、制药、食品等领域逐渐得到广泛的应用。
3.膜分离技术的基本特性
膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质,当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差、温度差等)时,原料侧组分选择性地透过膜,以达到分离、提纯的目的。不同的膜过程使用不用的膜，推动力也不同。一般来说，采用能透过气体的膜分离技术对化学性质及物理性质相似的混合物、结构的或取代基位置的异构物混合物、含有受热不稳定组分混合物的体系进行分离，具有特殊的优越性。
4.膜材料
膜是分离过程的核心，可以用许多不同的材料制备。针对于化工废气分离的大多是合成膜，合成膜可以进一步分成有机聚合物膜和无机膜，其中最主要的膜材料是有机物即聚合物大分子。选择何种聚合物作为膜材料，要根据其特定的结果和性质。
膜材料应具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性，耐酸、碱侵蚀和耐氧化的能力，气体分离，要求膜材料对透过组分有优先溶解、扩散的能力。
5.膜组件
膜组件就是按照一定技术要求将膜及其支撑材料封装在一起的组合构件，要求具有良好的机械强度、化学和热稳定性；较高的装填密度、较低的制造成本；压力损失小、能耗低、易维护。
常用的膜组件主要有：板框式，圆管式，螺旋卷式，中空纤维式和集装式等五种。
其中螺旋卷式和中空纤维式膜组件在气体分离方面应用最多。
6.膜分离技术在化工废气回收方面的应用
在我国大多数的石油化工厂中，合成装置为了防止惰性气体在反应器内的积累，将一部分气体作为驰放气排掉，此股气体中含有一定量的烯烃单体和其他的烃类，造成了损失。
丁辛醇生产装置羰基合成反应单元中，丙烯和合成气反应生成正、异丁醇，反应中同时有少量丙烯转化为丙烷。
为了防止丙烷等惰性组分的积累，需要有一部分气体（简称弛放气）从系统的循环回路中连续排放，其中含有丙烯、丙烷、丁醛等，由于组分比较复杂，以前只能当作燃料烧掉，资源浪费十分巨大，且污染了环境。
传统的治理方法是“吸收-精馏-再精馏”的工艺，不仅增加的设备的投资，也增加了运行成本，而采用膜分离技术可以避免这一问题。
6.1 工艺描述
羰基合成反应的驰放气压力一般在2.0MPa左右，提供了膜分离过程的推动力，无需增加额外的动力设备。反应驰放气首先经过冷凝器，回收一部分高沸点的烃类混合物如C4，C5等，随后进入膜分离单元。
膜分离的截留端浓缩富集了丙烷和烯烃等组分通过回收压缩机进入到冷凝器丙烷、丙烯被冷却下来，不凝气经过气液分离罐，由罐顶返回膜分离前段循环处理，冷凝下来的丙烷、丙烯作为产品，到相应的产品储罐；渗透端排放掉一定数量的氮气，送至燃气管网，为热能提供能量。
采用本工艺不仅解决了反应釜中惰性气体的积累问题，也使燃烧能耗大大降低。
6.2 工艺流程图
图-1 反应驰放气处理工艺
6.3 工艺参数
驰放气工艺参数见表-1
表-1 驰放气规格表
名称 | 单位 | 数值 | 备注 |
温度 | ℃ | 35~55 | |
压力 | MPa | 2 | |
气量 | m3/h | 500 | |
组成 | |||
H2 | V% | 28.46 | |
N2 | V% | 7.32 | |
CH4 | V% | 4.67 | |
CO | V% | 0.83 | |
CO2 | V% | 5.92 | |
C3H6 | V% | 12.64 | |
C3H8 | V% | 40.16 |
通过上述工艺，回收的丙烷和丙烯液化气完全符合规格，产品阐述见表-2
表-2 回收产品规格表
名称 | 单位 | 数值 | 备注 |
H2 | W% | 0.0281 | |
N2 | W% | 0.0527 | |
CH4 | W% | 0.1493 | |
CO | W% | 0.01022 | |
CO2 | W% | 6.8263 | |
C3H6 | W% | 21.75848 | |
C3H8 | W% | 71.1749 |
经过核算，采用此工艺，每年可节省约700余万元的成本费用，预计2.6年可以收回投资成本。
7.结论
在化工行业，膜分离技术作为一项绿色、高效、环保的分离技术，适应了清洁生产的要求，有其广泛的开发、应用前景。
采用膜分离技术不仅对生产装置的节能降耗起到了积极的作用，同时也取得了良好的经济效益和社会效益。
膜分离技术在对工业的改造方面，越来越发挥着重要的作用。
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