Аналіз аномального підвищення температури в адсорбційних установках для відновлення парів активованого вугілля та профілактичні заходи 1

Результати досліджень показують, що аномальне підвищення температури в активованому вугіллі в основному розгортається через механізм ланцюгової реакції, який розділений на наступні три етапи:

① Накопичення тепла адсорбції: фізичне тепло адсорбції поєднується з теплом хімічної адсорбції/реакції, викликане адсорбцією нафти/газу з високою-концентрацією та окисленням сульфідів;

② Catalytic cracking: Carbon deposits or metallic impurities catalyze hydrocarbon cracking, releasing heat from the cracking reaction; ③ Uncontrolled self-oxidation, where activated carbon undergoes self-oxidation, reaching its autoignition temperature threshold (160–200°C for lignin-based carbon, >300°C для вуглецю кокосової шкаралупи).

3.1 Зміни властивостей активованого вугілля

Зміна властивостей активованого вугілля є ключовим фактором, що сприяє аномальному підвищенню температури. Протягом тривалих періодів використання активоване вугілля може старіти, що проявляється у вигляді зменшення питомої площі поверхні, зміни структури пор і змін у хімічному складі поверхні. Ці зміни можуть збільшити тепло адсорбції, викликаючи підвищення температури. Крім того, під час роботи активоване вугілля може адсорбувати речовини, які важко{3}}-десорбувати; накопичення таких речовин може каталізувати екзотермічні реакції, що ще більше посилює підвищення температури. Якщо своєчасно не замінити насичене активоване вугілля, це може знизити ефективність адсорбції, підвищуючи ризик аномального підвищення температури.

3.2 Вплив вуглеводневих компонентів

Різні вуглеводневі компоненти демонструють різні ентальпії адсорбції та реакційну здатність. Деякі макромолекулярні вуглеводні з високою-температурою{2}}кипіння може бути важко десорбувати. Дослідження показують, що вуглеводні з вуглецевими ланцюгами, довшими за C8, демонструють значно підвищені енергетичні бар’єри десорбції на поверхнях активованого вугілля, що призводить до кумулятивної ентальпії адсорбції. Крім того, реактивні домішки, такі як сульфіди та олефіни, присутні в нафті та газі, можуть піддаватися екзотермічним реакціям, таким як окислення або полімеризація на поверхні активованого вугілля, викликаючи підвищення температури. Сукупна дія цих факторів може призвести до аномального підвищення температури в шарі активованого вугілля.

3.3 Невідповідні робочі параметри

Неправильні налаштування робочих параметрів є ще одним суттєвим фактором, що викликає аномальне підвищення температури. Надмірно висока концентрація газу на вході може спричинити концентроване виділення тепла адсорбції, викликаючи локальне перегрівання; надмірно висока швидкість газу на вході може прискорити накопичення тепла; надмірно висока температура газу на вході безпосередньо підвищує температуру шару, збільшуючи ризик ненормального нагрівання; неправильний контроль температури та тривалості десорбції може

призводять до надмірної залишкової-високо{1}}температури кипіння речовин на поверхні активованого вугілля, посилюючи екзотермічні реакції під час подальших процесів адсорбції; крім того, необґрунтовані налаштування циклу можуть призвести до накопичення тепла, що зрештою спричинить ненормальне підвищення температури.

3.4 Дефекти конструкції обладнання

Недоліки конструкції обладнання також можуть спричинити аномальне підвищення температури. Неправильна конструкція внутрішньої структури адсорбційних резервуарів може призвести до нерівномірного розподілу газу, викликаючи локальне перегрівання; невідповідна конструкція системи розсіювання тепла може не вдатися до швидкого видалення адсорбційного тепла, що призведе до підвищення температури; неправильне розміщення точок моніторингу температури може неточно відображати фактичну температуру шару активованого вугілля, потенційно не вдаючись вчасно виявити температурні аномалії, затримуючи коригувальні дії та спричиняючи накопичення тепла та підвищення температури.

4 стратегії запобігання та контролю аномального підвищення температури в адсорбційних резервуарах з активованим вугіллям

Для нафтосховищ, які стикаються з високими літніми температурами в південних регіонах, прямим постачанням нафти/газу з нафтопереробних заводів, підвищеними температурами абсорбера та майже{0}}насиченими потужностями переробки нафти/газу, слід вжити заходів для зниження температури абсорбера та температури нафти/газу, що надходить в адсорбційні резервуари та абсорбери. Це спрямовано на придушення аномального підвищення температури активованого вугілля. Цей підхід зосереджений на незначних модифікаціях існуючого процесу адсорбції активованим вугіллям, тимчасово виключаючи комбіновані процеси, такі як конденсація. Конкретні модифікації включають: встановлення систем розпилення, водяного-охолоджувального обладнання або відбиваючих/ізоляційних матеріалів на вхідній лінії перед-адсорбційного резервуару, вихідного отвору вакуумного насоса/вхідної лінії перед-абсорбційної вежі та попередньої-лінії розпилювальної башти від резервуара для зберігання абсорбенту. Це знижує температуру нафти і газу, що надходить в адсорбційний резервуар, мінімізуючи накопичення тепла. Одночасно зниження температури абсорбера підвищує ефективність абсорбції та запобігає-повторному{11}}потрапленню масляних парів високої концентрації в адсорбційний резервуар для повторної-адсорбції та виділення тепла, тим самим контролюючи підвищення температури активованого вугілля.

4.2 Вибір та оптимізація адсорбційного агента

Виберіть активоване вугілля з відповідним розподілом розмірів пор і хімічним складом поверхні на основі фактичного складу парів масла, що обробляється. Регулярно замінюйте або регенеруйте активоване вугілля, щоб уникнути аномального підвищення температури, викликаного старінням. Розгляньте можливість використання активованого вугілля з-модифікованою поверхнею або-каталізатором, щоб підвищити його стійкість до високих{4}}температур. Зосередити дослідження на комбінованому застосуванні кількох адсорбентів для контролю адсорбційного тепла. Наприклад, експерименти підтверджують, що композитний шар із силікагелю-з активованим вугіллям зменшує тепло адсорбції на 35% і подовжує час проникнення вуглеводнів C6–C12 на 20%. Силікагель складається з твердих, аморфних ланцюгоподібних-та сітчасто-структурованих полімерних частинок кремнезему. Розподіл його розмірів пор охоплює широкий діапазон без однорідності, характеристика, подібна до активованого вугілля. Ця подібність визначає, що силікагель демонструє ефективність, порівнянну з активованим вугіллям у застосуваннях для адсорбції органічних газів. Зрілий гідрофобний силікагель демонструє гідрофобність, не-займистість і анти{19}}статичні властивості. При використанні в якості адсорбенту він не адсорбує водяну пару, захоплену потоками нафти і газу, і не виділяє тепла в процесі адсорбції. Зокрема, нижній шар силікагелю може бути заповнений верхнім шаром активованого вугілля. З одного боку, силікагель демонструє чудову адсорбційну ефективність для -потоків нафти та газу з високою концентрацією зі значно меншим виділенням тепла під час адсорбції порівняно з активованим вугіллям. З іншого боку, активоване вугілля демонструє хороші адсорбційні властивості для нафти й газу з низькою-концентрацією, водночас виробляючи мінімальне тепло під час адсорбції. Використання силікагелю в нижньому шарі для адсорбції нафти та газу з високою-концентрацією, а потім активованого вугілля у верхньому шарі для нафти та газу з низькою{28}}концентрацією, оптимально використовує адсорбційні властивості обох адсорбентів [1] і зменшує виділення тепла адсорбції з точки зору процесу.

4.3 Оптимізація конструкції адсорбційного бака

Удосконалення конструкції адсорбційного резервуара має вирішальне значення для запобігання аномальним підвищенням температури. Основні заходи включають: прийняття модульної конструкції для полегшення обслуговування та заміни; вдосконалення внутрішньої конструкції бака для забезпечення рівномірного розподілу газу; покращення систем розсіювання тепла для підвищення ефективності відведення тепла; і стратегічне розміщення точок моніторингу температури для досягнення комплексного моніторингу всього шару активованого вугілля. Рекомендується сегментована конструкція адсорбційного бака. Цей підхід розподіляє адсорбційне тепло між кількома етапами, зменшуючи теплове навантаження на резервуар.

Виходячи з досвіду роботи установок для збору нафти та газу з адсорбцією активованого вугілля на підприємстві автора, аномальне підвищення температури в установках з активованим вугіллям постійно виникає через збільшення обсягів обробки. У той час як розширення об’єму резервуара для збільшення використання активованого вугілля збільшує потужність агрегату, ця конструкція збільшує теплове навантаження на адсорбційний резервуар, що погіршує стабільну роботу. Замість цього ми рекомендуємо збільшити кількість адсорбційних резервуарів для збільшення ємності. Такий підхід зменшує теплове навантаження на резервуар і забезпечує обертання резервуарів, що забезпечує більш ретельну десорбцію та сприяє -тривалій стабільній роботі.

4.4 Оптимізація робочих параметрів

(1) Оптимізуйте концентрацію та температуру газу на вході на основі фактичних робочих умов, щоб запобігти перегріву, спричиненому надмірно високими концентраціями або температурами.

(2) Збільште швидкість обертання абсорбенту (бензину), щоб запобігти тривалому застою. Тривалий застій призводить до збільшення частки легких компонентів і підвищення температури всередині абсорбенту, що знижує ефективність поглинання. Це дозволяє неабсорбованим парам масла з високою-температурою та високою{4}}концентрацією знову -потрапляти в адсорбційний резервуар, збільшуючи тиск навантаження блоку та викликаючи безперервне накопичення тепла.

(3) Раціонально контролюйте температуру та тривалість десорбції для забезпечення повної десорбції.

(4) Оптимізуйте періоди циклу, щоб збалансувати процеси адсорбції та десорбції, запобігаючи накопиченню тепла.

(5) Встановіть комплексний моніторинг і системи раннього попередження для оперативного виявлення та усунення аномалій.

4.5 Розробка нових адсорбційних матеріалів

Розробка нових адсорбційних матеріалів є довгостроковим-вирішенням проблем аномального підвищення температури. Дослідження слід зосередити на розробці адсорбентів із підвищеною термічною стабільністю та селективністю, таких як металеві -органічні каркаси (MOF) і ковалентні органічні каркаси (COF). Дослідіть інтеграцію матеріалів зі зміною фази (PCM) в адсорбційні шари, щоб використовувати їхні-теплопоглинальні властивості для контролю температури. Розробіть само{6}}композитні матеріали, що самоохолоджуються, щоб покращити можливості керування температурою системи.

Аномальне підвищення температури активованого вугілля на нафтогазодобувних установках в першу чергу пов’язане зі зміною властивостей вуглецю, впливом вуглеводневих компонентів, неправильними робочими параметрами та недоліками конструкції обладнання. Щоб усунути ці причини, профілактичні стратегії повинні включати оптимізацію вибору активованого вугілля, вдосконалення конструкції обладнання, покращення робочих параметрів і розробку нових адсорбентів. Результати цього дослідження мають значний вплив на підвищення безпеки та ефективності систем видобутку нафти та газу. Вони можуть ефективно зменшити ризик аномального підвищення температури, подовжити термін служби обладнання та підвищити ефективність видобутку нафти та газу. Майбутні дослідження мають бути зосереджені на розробці та застосуванні нових адсорбуючих матеріалів, а також на створенні інтелектуальних систем моніторингу та раннього попередження для подальшого підвищення ефективності та надійності систем видобутку нафти та газу.