Зі збільшенням суворості екологічних норм і зростаючою обізнаністю громадськості про захист навколишнього середовища важливість технології рекуперації парів у нафтохімічній промисловості стає все більш помітною. Адсорбція активованим вугіллям, як ефективна та економічна технологія рекуперації парів, широко застосовується в таких галузях, як сховища нафти. Однак під час фактичної роботи часто відбувається ненормальне підвищення температури в адсорбційному резервуарі з активованим вугіллям, що створює серйозну загрозу для безпечної роботи системи та ефективності відновлення, що вимагає термінового вирішення. Це дослідження спрямоване на ретельне дослідження причин ненормального підвищення температури в адсорбційних системах рекуперації парів активованого вугілля та пропонування ефективних стратегій запобігання та контролю, щоб надати посилання для оптимізованої конструкції та безпечної експлуатації систем рекуперації парів.
1 Огляд адсорбційних пристроїв для відновлення парів активованим вугіллям
Адсорбція активованим вугіллямпристрої для відновлення парівв першу чергу використовують високу ефективність адсорбції активованого вугілля для адсорбції та відновлення летких органічних сполук (ЛОС). Завдяки перевагам технології адсорбції активованим вугіллям у пристроях для відновлення парів, таким як висока ефективність адсорбції, сильна адаптивність, економічна доцільність і стабільна робота, вони широко застосовуються в готових сховищах для зберігання нафти, що приносить значні екологічні та економічні переваги.
1.1 Хід процесу
Адсорбційне масло з активованим вугіллямсистема рекуперації парівголовним чином складається з системи попередньої обробки (фільтри, охолоджувачі тощо), системи адсорбції (адсорбційні резервуари, шари активованого вугілля, вхідні системи тощо), системи десорбції (вакуумні насоси тощо), системи відновлення (скруберні башти тощо) та системи керування (PLC, датчики та прилади тощо).
1) Вихлопні гази надходять у систему попередньої обробки, де вони фільтруються та охолоджуються перед тим, як потрапити в систему адсорбції.
(2) Вихлопний газ потрапляє в адсорбційну систему, де ЛОС адсорбуються активованим вугіллям в адсорбційному шарі, а очищений газ виділяється.
(3) Вихлопні гази надходять у систему десорбції. Коли активоване вугілля досягає адсорбційного насичення, воно перемикається в режим десорбції для десорбції ЛОС.
(4) Вихлопні гази потрапляють у систему рекуперації, де після десорбції відновлюються гази ЛОС з високою-концентрацією.
(5) Система керування системою відстежує та регулює параметри в режимі-часу на всіх етапах, щоб забезпечити ефективну та стабільну роботу системи.
1.2 Принцип роботи
Основний принцип роботи адсорбційної системи уловлювання масляних парів із активованим вугіллям полягає у вибірковій адсорбції сумішей масляних парів за допомогою активованого вугілля, відділенні ЛОС від вихлопних газів, а потім у відновленні ЛОС високої-концентрації за допомогою процесу десорбції. Процес в основному складається зі стадій адсорбції, десорбції та відновлення.
(1) Стадія адсорбції.
Завдяки унікальній фізико-хімічній структурі активованого вугілля, яка забезпечує захоплення та фіксацію домішок у газах (таких як органічні сполуки та молекули запаху), коли вихлопний газ, що містить ЛОС, проходить через шар активованого вугілля після фільтрації та охолодження, активоване вугілля ефективно адсорбує молекули ЛОС, а очищений газ виводиться відповідно до стандартів. Основний механізм адсорбції активованим вугіллям можна розділити на два типи: фізична адсорбція та хімічна адсорбція. Фізична адсорбція досягається завдяки силам Ван-дер-Ваальса між молекулами. Молекули адсорбату
(такі як ЛОС, пігменти тощо) вловлюються пористою структурою та великою питомою поверхнею активованого вугілля. У хімічній адсорбції переважають поверхневі реакції. Молекули адсорбату утворюють хімічні зв’язки (такі як ковалентні зв’язки, водневі зв’язки або іонообмін) із функціональними групами на поверхні активованого вугілля, що зазвичай спостерігається при адсорбції полярних молекул (таких як іони важких металів або кислі гази). Основними забруднювачами в сховищах нафти є ЛОС, де домінує фізична адсорбція, але не слід ігнорувати хімічну адсорбцію, особливо за високих-температурних умов або за наявності певних функціональних груп.
(2) Стадія десорбції.
Після того, як активоване вугілля досягне адсорбційного насичення, процес десорбції адсорбованих речовин з поверхні активованого вугілля за допомогою фізичних або хімічних методів є критичним кроком для регенерації та повторного використання активованого вугілля. Загальні методи включають термічну десорбцію, десорбцію під тиском і десорбцію за допомогою витіснення. Десорбція під тиском зазвичай використовується в нафтосховищах. Це передбачає зниження тиску в системі за допомогою такого обладнання, як вакуумні насоси, щоб зменшити кількість адсорбату на поверхні активованого вугілля. При зниженні тиску адсорбційна рівновага порушується, і молекули адсорбату десорбуються з активованого
вугільна поверхня.
(3) Стадія відновлення.
Газ -ЛОС із високою концентрацією після десорбції потрапляє в систему відновлення, де його можна відновити за допомогою таких методів, як абсорбція, конденсація або мембранне відділення, щоб зменшити забруднення навколишнього середовища та відходи ресурсів. Фізичне поглинання зазвичай використовується в готових сховищах нафти, де газ високої-концентрації ЛОС вступає в протитечійний контакт з абсорбентом. Розділення досягається шляхом використання різниці в розчинності ЛОС в абсорбенті (такому як бензин), що змушує ЛОС розчинятися в абсорбенті.
2 Аномальне підвищення температури активованого вугілля та його небезпека
Діапазон нормальних робочих температур для активованого вугілля зазвичай становить 40–60 градусів. У цьому температурному діапазоні активоване вугілля зберігає високу адсорбційну здатність і швидку адсорбцію. Однак у реальному використанні,
температура шару активованого вугілля може значно перевищувати нормальну робочу температуру. Залежно від ступеня та швидкості підвищення температури аномальне підвищення температури можна класифікувати на два типи: повільне підвищення температури та швидке підвищення температури. Повільне підвищення температури часто спричинене старінням активованого вугілля або накопиченням слідів домішок, що зазвичай проявляється у вигляді поступового підвищення температури шару шару активованого вугілля зі швидкістю 1–3 градуси/год, потенційно досягаючи небезпечного рівня протягом годин або днів; Швидке підвищення температури часто спричинене локалізованою адсорбційною концентрацією тепла або неконтрольованими екзотермічними реакціями (такими як полімеризація олефінів або окислення сполуки сірки), що характеризується підвищенням температури понад 10 градусів протягом хвилин із безперервним швидким підвищенням, потенційно досягаючи небезпечних рівнів протягом хвилин або годин.
Незалежно від форми аномального підвищення температури активованого вугілля, коли температура перевищує певний поріг, це супроводжується аномальними явищами, такими як зниження адсорбційної здатності активованого вугілля, коливання тиску шару та надмірні викиди вихлопних газів, і навіть може призвести до проблем безпеки, таких як самозаймання. Небезпека в першу чергу проявляється в наступних трьох аспектах.
(1) Зниження ефективності роботи.
Підвищення температури знижує адсорбційну здатність активованого вугілля. Відповідно до теорії адсорбційної термодинаміки, фізична адсорбція є екзотермічним процесом, і адсорбційна здатність зменшується з підвищенням температури. Експериментальні статистичні дані показують, що на кожні 10 градусів підвищення температури шару адсорбційна здатність активованого вугілля для ЛОС, таких як бензол і толуол, зменшується на 10%-17%, що може призвести до зниження ефективності відновлення системи та навіть перевищення стандартів викидів,
збільшення ризику екологічних санкцій.
(2) Пошкодження обладнання.
Підвищення температури може спричинити локальне перегрівання в адсорбційних резервуарах (наприклад, у зварювальних швах), що призводить до термічної корозії, зниження опору тиску та неможливості досягнення рівнів вакууму під час десорбції або навіть структурної деформації та розтріскування резервуара; під час десорбції нагріті пари олії з пластового шару можуть пошкодити вакуумні насоси; температури, що перевищують 200 градусів, можуть спричинити руйнування мікропористих структур активованого вугілля, зменшуючи питому площу поверхні на 40%–
60%, а також зниження йодного числа до 400 мг/г, що призводить до дезактивації активованого вугілля.
(3) Підвищені ризики безпеки.
Коли температура шару шару перевищує температуру самозаймання активованого вугілля, це може спричинити відкрите полум'я. Якщо концентрація пари в резервуарі досягає межі вибухонебезпечності, це також може призвести до аварії з дефлаграцією. Компанії з виробництва та зберігання небезпечних хімічних речовин зазнали подібних типових аварій через аномальне підвищення температури активованого вугілля. Наприклад, у 2021 році на нафтопереробному заводі сталася аварія через неправильне налаштування температури десорбції (встановлено на 180 градусів, з проектним значенням 120 градусів), що спричинило підвищення температури шару активованого вугілля до 250 градусів протягом 3 годин, що призвело до розтріскування резервуару, витоку ЛОС 1,2 тонни та прямих економічних втрат, що перевищують
5 мільйонів юанів. У 2019 році сполуки сірки накопичувалися та окислювалися на поверхні активованого вугілля в нафтосховищі, викликаючи самозаймання в місцевій гарячій точці 310 градусів. Вогонь перекинувся на сусідні резервуари, на гасіння знадобилося 72 години.
