Sa sve većom strožim ekološkim propisima i rastućom javnošću o zaštiti životne sredine, važnost tehnologije povrata pare u petrohemijskoj industriji postaje sve istaknutija. Adsorpcija aktivnog uglja, kao efikasna i ekonomična tehnologija rekuperacije pare, široko se primenjuje u poljima kao što su skladišta nafte. Međutim, tokom stvarnog rada, često dolazi do abnormalnog porasta temperature u adsorpcionom rezervoaru sa aktivnim ugljem, što predstavlja ozbiljnu pretnju za siguran rad sistema i efikasnost oporavka, što zahteva hitno rešavanje. Ova studija ima za cilj da detaljno istraži uzroke abnormalnog porasta temperature u sistemima za rekuperaciju pare adsorpcionog uglja i predloži efikasne strategije prevencije i kontrole kako bi se obezbedile reference za optimizovan dizajn i siguran rad sistema za rekuperaciju pare.
1 Pregled uređaja za rekuperaciju pare sa adsorpcijom aktivnog ugljena
Adsorpcija aktivnog ugljenauređaji za rekuperaciju pareprvenstveno koriste visoku efikasnost adsorpcije aktivnog uglja za adsorbiranje i obnavljanje hlapljivih organskih spojeva (VOC). Zbog prednosti tehnologije adsorpcije aktivnog ugljena u uređajima za rekuperaciju pare, kao što su visoka efikasnost adsorpcije, snažna prilagodljivost, ekonomska izvodljivost i stabilan rad, oni se široko primjenjuju u gotovim skladištima nafte, donoseći značajne ekološke i ekonomske koristi.
1.1 Tok procesa
Ulje za adsorpciju aktivnog ugljenasistem za rekuperaciju pareprvenstveno se sastoji od sistema za predtretman (filteri, hladnjaci, itd.), sistema za adsorpciju (adsorpcioni rezervoari, slojevi sloja aktivnog uglja, ulazni sistemi, itd.), sistema za desorpciju (vakum pumpe, itd.), sistema za oporavak (tornjevi za pročišćavanje, itd.) i kontrolnog sistema (PLC, senzori, i instrumenti, itd.).
1) Izduvni gasovi ulaze u sistem za predtretman, gde se filtriraju i hlade pre ulaska u sistem adsorpcije.
(2) Ispušni plin ulazi u sistem adsorpcije, gdje se VOC adsorbiraju aktivnim ugljem u adsorpcionom sloju, a pročišćeni plin se emituje.
(3) Izduvni gasovi ulaze u sistem desorpcije. Kada aktivni ugljen dostigne zasićenje adsorpcije, on se prebacuje na način desorpcije kako bi desorbirao VOC.
(4) Izduvni gas ulazi u sistem za oporavak, gdje se gas visoke-koncentracije VOCs nakon desorpcije obnavlja.
(5) Sistem kontrole sistema prati i prilagođava parametre u realnom-vremenu u svim fazama kako bi osigurao efikasan i stabilan rad sistema.
1.2 Princip rada
Osnovni princip rada sistema za rekuperaciju pare ulja sa adsorpcijom aktivnog ugljena je da selektivno adsorbuje mešavine uljne pare pomoću aktivnog uglja, odvaja VOC od izduvnog gasa, a zatim vraća VOC visoke{0}}koncentracije kroz proces desorpcije. Proces se prvenstveno sastoji od faza adsorpcije, desorpcije i oporavka.
(1) Faza adsorpcije.
Na osnovu jedinstvene fizičke i hemijske strukture aktivnog uglja, koja omogućava hvatanje i fiksiranje nečistoća u gasovima (kao što su organska jedinjenja i molekuli mirisa), kada izduvni gas koji sadrži VOC prođe kroz sloj aktivnog uglja nakon filtracije i hlađenja, aktivni ugljen efikasno adsorbuje molekule VOC, a standardno ispražnjenje prečišćenog gasa je u kompozitnom gasu. Osnovni mehanizam adsorpcije aktivnog uglja može se podijeliti u dva tipa: fizička adsorpcija i kemijska adsorpcija. Fizička adsorpcija se postiže van der Waalsovim silama između molekula. Molekuli adsorbata
(kao što su VOC, pigmenti, itd.) su zarobljeni poroznom strukturom i velikom specifičnom površinom aktivnog ugljena. Hemijskom adsorpcijom dominiraju površinske reakcije. Molekuli adsorbata formiraju hemijske veze (kao što su kovalentne veze, vodonične veze ili izmena jona) sa funkcionalnim grupama na površini aktivnog uglja, što se obično primećuje kod adsorpcije polarnih molekula (kao što su joni teških metala ili kiseli gasovi). Primarni zagađivači u skladištima nafte su VOC, gdje fizička adsorpcija dominira, ali hemijsku adsorpciju ne treba zanemariti, posebno u uslovima visoke{4}}temperature ili u prisustvu specifičnih funkcionalnih grupa.
(2) Faza desorpcije.
Nakon što aktivni ugljen dostigne zasićenje adsorpcije, proces desorbiranja adsorbiranih supstanci s površine aktivnog uglja korištenjem fizičkih ili kemijskih metoda je kritičan korak za regeneraciju i ponovnu upotrebu aktivnog uglja. Uobičajene metode uključuju termičku desorpciju, desorpciju pod pritiskom i desorpciju pomaka. Desorpcija pod pritiskom se obično koristi u skladištima nafte. Ovo uključuje smanjenje pritiska u sistemu pomoću opreme kao što su vakuum pumpe za smanjenje količine adsorbata na površini aktivnog uglja. Jednom kada se pritisak smanji, ravnoteža adsorpcije se poremeti, a molekuli adsorbata se desorbuju iz aktiviranog
karbonska površina.
(3) Faza oporavka.
Plin visoke{0}}koncentracije VOC nakon desorpcije ulazi u sistem za oporavak, gdje se može povratiti korištenjem metoda kao što su apsorpcija, kondenzacija ili membransko odvajanje kako bi se smanjilo zagađenje okoliša i rasipanje resursa. Fizička apsorpcija se obično koristi u skladištima gotovih ulja, gdje plin visoke{2}}koncentracije VOC dolazi u protustrujni kontakt sa apsorbentom. Odvajanje se postiže korištenjem razlike u rastvorljivosti VOC-a u apsorbentu (kao što je benzin), uzrokujući rastvaranje VOC-a u apsorbentu.
2 Nenormalan porast temperature u aktivnom uglju i njegove opasnosti
Normalni opseg radne temperature za aktivni ugalj je tipično 40-60 stepeni. Unutar ovog temperaturnog raspona, aktivni ugljen održava visok kapacitet adsorpcije i brze brzine adsorpcije. Međutim, u stvarnoj upotrebi,
temperatura sloja aktivnog uglja može znatno premašiti normalnu radnu temperaturu. Na osnovu stepena i brzine porasta temperature, abnormalni porast temperature može se klasifikovati u dva tipa: spori porast temperature i brzi porast temperature. Sporo porast temperature je često uzrokovan starenjem aktivnog uglja ili akumulacijom nečistoća u tragovima, što se obično manifestuje kao temperatura sloja aktivnog uglja koja se postepeno povećava brzinom od 1-3 stepena/h, potencijalno dostižući opasne nivoe u roku od nekoliko sati ili dana; Brzi porast temperature često je uzrokovan lokaliziranom koncentracijom topline adsorpcije ili nekontroliranim egzotermnim reakcijama (kao što je polimerizacija olefina ili oksidacija sumpornih jedinjenja), koje karakterizira povećanje temperature od preko 10 stupnjeva u roku od nekoliko minuta, s kontinuiranim brzim porastom, potencijalno dostižući opasne razine za nekoliko minuta ili sati.
Bez obzira na oblik abnormalnog porasta temperature u aktivnom uglju, kada temperatura prijeđe određeni prag, to je praćeno abnormalnim pojavama kao što je smanjenje kapaciteta adsorpcije aktivnog uglja, fluktuacije tlaka u sloju i prekomjerne emisije izduvnih plinova, a može čak dovesti i do sigurnosnih problema kao što je spontano sagorijevanje. Opasnosti se prvenstveno manifestuju u sljedeća tri aspekta.
(1) Pad operativne efikasnosti.
Povećanje temperature smanjuje kapacitet adsorpcije aktivnog ugljena. Prema teoriji adsorpcione termodinamike, fizička adsorpcija je egzotermni proces, a kapacitet adsorpcije opada s povećanjem temperature. Statistika eksperimentalnih podataka pokazuje da se za svakih 10 stepeni povećanja temperature sloja, kapacitet adsorpcije aktivnog ugljena za VOC kao što su benzen i toluen smanjuje za 10% do 17%, što može dovesti do smanjene efikasnosti oporavka sistema i čak premašiti standarde emisije,
povećanje rizika od ekoloških kazni.
(2) Oštećenje opreme.
Povećanje temperature može uzrokovati lokalizirano pregrijavanje u adsorpcionim rezervoarima (npr. na zavarenim šavovima), što dovodi do korozije od termičkog naprezanja, smanjene otpornosti na pritisak i nemogućnosti postizanja nivoa vakuuma tokom desorpcije, ili čak strukturne deformacije i pucanja rezervoara; tokom desorpcije, zagrijane uljne pare iz sloja sloja mogu oštetiti vakuumske pumpe; temperature veće od 200 stepeni mogu uzrokovati kolaps mikroporoznih struktura aktivnog ugljena, smanjujući specifičnu površinu za 40% –
60% i smanjenje jodne vrijednosti na 400 mg/g, što dovodi do deaktivacije aktivnog ugljena.
(3) Povećani sigurnosni rizici.
Kada temperatura sloja sloja prijeđe tačku samozapaljenja aktivnog uglja, to može uzrokovati otvoreni plamen. Ako koncentracija pare unutar spremnika dostigne granicu eksplozije, to također može dovesti do nesreće s deflagracijom. Kompanije za proizvodnju i skladištenje opasnih hemikalija doživjele su slične tipične nesreće zbog nenormalnog povećanja temperature u aktivnom uglju. Na primjer, 2021. godine, rafinerija je doživjela nesreću zbog pogrešne postavke temperature desorpcije (podešene na 180 stepeni, sa projektovanom vrednošću od 120 stepeni), što je dovelo do porasta temperature sloja aktivnog uglja na 250 stepeni u roku od 3 sata, što je rezultiralo pucanjem rezervoara, curenjem VOC, prekoračenjem od 1,2 i direktnim gubitkom na 1.2
5 miliona juana. U 2019. godini sumporna jedinjenja su se nakupila i oksidisala na površini aktivnog uglja u skladištu nafte, izazivajući spontano sagorevanje na lokalnom žarištu od 310 stepeni. Vatra se proširila na susjedne rezervoare, a za gašenje je bilo potrebno 72 sata.
