前言
气相法聚乙烯生产过程中排放的尾气含乙烯、共聚单体及氮气等高附加值组分，直接排放既浪费资源，还加重碳排放与环境污染。压缩冷凝、膜分离、变压吸附（PSA）等传统尾气回收工艺，存在轻组分回收率低、分离效果差、经济效益不佳等缺陷；常规深冷技术依赖外部冷源，能耗偏高，且膨胀机易损坏。
基于此，以30×104 t/a全密度聚乙烯装置尾气回收为例，采用双膨胀自深冷分离技术，无需外部冷源，兼顾降低能耗与提高回收率。实际应用可高效回收乙烯、1-丁烯、异戊烷，同时循环利用高纯氮气。借助两级膨胀机串联优化制冷效率，结合流程模拟分析参数影响，为工艺优化提供理论依据。
双膨胀自深冷分离核心原理
该技术基于气体膨胀制冷效应与相平衡分离机制，通过多级能量转化和低温热力学过程实现气体混合物的高效分离。
（1）热力学基础
节流膨胀为高压气体流经节流阀时绝热无外功降压膨胀过程，遵循Joule-Thomson效应，过程焓值恒定。压力势场减弱使分子势能升高、动能降低，体系温度下降。
等熵膨胀为高压气体在膨胀机内绝热膨胀并对外做功降压的过程，理想状态下为可逆等熵变化。气体做功内能消耗带来大幅温降与制冷效果，制冷能力优于节流膨胀，适配深冷工况。
（2）相平衡分析
排放尾气中氮气与乙烯占比超95% mol，二者分离是工艺核心。基于乙烯-氮气体系相平衡特性，采用PENG-ROB方程结合逸度平衡，借助Aspen Plus绘制乙烯-氮气体系在1300 kPa(G)下的T-xy相图（图1），体系在-150～-110 ℃可实现良好相分离。
图1 乙烯-氮气体系T-xy相图
双膨胀自深冷工艺流程
双膨胀自深冷系统包括辅助系统撬块、深冷分离冷箱两个主要工序，流程简洁、运行稳定（图2）。进入深冷分离系统的原料气经尾气缓冲罐平稳压力后进入冷箱，先初次换热降温至-90 ℃，重烃组分液化后于高压分液罐分出，经换热器回收冷量后送出冷箱，经重烃汽化器加热汽化后返回回收单元；高压分液罐分离后的气相返回换热器继续冷却至-140~-120 ℃，实现乙烯液化，在低温分液罐分离，液化后的乙烯经换热器回收冷量后送出冷箱，进入轻烃分离罐缓冲后送出装置，在低温分液罐中分离得到的气相经换热后进入膨胀机膨胀制冷，随后经回收冷量后送出冷箱排火炬或作为回收氮气返回上游脱气仓作为吹扫气循环使用。
图2 双膨胀自深冷工艺流程
工业应用于工艺优化建议
结合30×104 t/a全密度聚乙烯装置实际生产数据（表1）与Aspen Plus模拟数据（表2）对比分析，双膨胀自深冷分离技术实际乙烯回收率达86.53%，1-丁烯、异戊烷实现100%全回收，火炬尾气中氮气纯度达95.45%，每小时可回收循环火炬气约1200 N m3。模拟理论回收率略高于实际生产值，核心原因是工业冷箱无法完全绝热，存在热量损失。
表1 深冷回收系统实际生产数据
表2 深冷回收系统模拟数据及回收率
如图3所示，通过在模拟流程中考察低温分离罐入口温度对排放气中乙烯流量和氮气流量的影响发现，随着温度的降低，乙烯、氮气流量均有所降低但降幅速率不同，-130 ℃时乙烯流量降幅明显放缓。建议可尝试降低低温分液罐入口温度，在保障装置平稳运行的前提下，进一步提升乙烯回收效率，确定最优工艺控制点。
图3 排放气中乙烯流量和氮气流量随低温分离罐入口温度变化趋势
效益分析
该技术应用经济效益突出。回收烃类回产降低原料成本，单乙烯年省成本千万元；按需调控返回脱气仓的流量，年节约大量氮气，装置折标能耗降低约4.8 kgoe/t PE。环境效益同样可观，年减排CO2约4000 t，有效缓解了VOCs污染与末端治理压力。
总结
本文探究双膨胀自深冷分离技术应用，解决聚乙烯装置尾气轻组分回收低效、能耗偏高问题。该技术借助尾气自身压力能驱动膨胀机制冷，无需外供冷源，相较传统工艺可降耗增效，烃类分离效果更佳。其综合性能优于传统技术，可为聚乙烯行业尾气处理提供节能高效方案，经济与环保价值突出。
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