Uz sve veću strožiju ekoloških propisa i rastuću svijest javnosti o zaštiti okoliša, važnost tehnologije povrata pare u petrokemijskoj industriji postala je sve istaknutija. Adsorpcija aktivnim ugljenom, kao učinkovita i ekonomična tehnologija povrata pare, naširoko se primjenjuje u područjima kao što su skladišta nafte. Međutim, tijekom stvarnog rada često dolazi do abnormalnog porasta temperature u adsorpcijskom spremniku s aktivnim ugljenom, što predstavlja ozbiljnu prijetnju sigurnom radu sustava i učinkovitosti oporavka, što zahtijeva hitno rješavanje. Ova studija ima za cilj temeljito istražiti uzroke abnormalnog porasta temperature u adsorpcijskim sustavima za povrat pare aktivnim ugljenom i predložiti učinkovite strategije prevencije i kontrole kako bi se pružile reference za optimizirani dizajn i siguran rad sustava za povrat pare.
1 Pregled Adsorpcijskih uređaja za povrat pare s aktivnim ugljenom
Adsorpcija aktivnog ugljenauređaji za povrat pareprvenstveno koriste visoku učinkovitost adsorpcije aktivnog ugljena za adsorpciju i obnavljanje hlapljivih organskih spojeva (VOC). Zbog prednosti tehnologije adsorpcije s aktivnim ugljenom u uređajima za povrat pare, kao što su visoka učinkovitost adsorpcije, snažna prilagodljivost, ekonomska izvedivost i stabilan rad, naširoko se primjenjuju u gotovim skladištima nafte, donoseći značajne ekološke i ekonomske koristi.
1.1 Tijek procesa
Adsorpcijsko ulje s aktivnim ugljenomsustav povrata pareprvenstveno se sastoji od sustava predtretmana (filtri, hladnjaci itd.), adsorpcijskog sustava (adsorpcijski spremnici, slojevi sloja s aktivnim ugljenom, ulazni sustavi itd.), sustava desorpcije (vakuumske pumpe itd.), sustava oporabe (tornjevi za pročišćavanje itd.) i upravljačkog sustava (PLC, senzori i instrumenti itd.).
1) Ispušni plin ulazi u sustav predtretmana, gdje se filtrira i hladi prije ulaska u adsorpcijski sustav.
(2) Ispušni plin ulazi u adsorpcijski sustav, gdje se VOCs adsorbira aktivnim ugljenom u adsorpcijskom sloju, a pročišćeni plin se emitira.
(3) Ispušni plin ulazi u desorpcijski sustav. Kada aktivni ugljen dosegne adsorpcijsko zasićenje, prebacuje se na način desorpcije kako bi desorbirao VOC.
(4) Ispušni plin ulazi u sustav oporabe, gdje se nakon desorpcije dobiva visoka-koncentracija VOC-a.
(5) Kontrolni sustav sustava prati i prilagođava parametre u stvarnom-vremenu u svim fazama kako bi se osigurao učinkovit i stabilan rad sustava.
1.2 Princip rada
Osnovno načelo rada adsorpcijskog sustava za povrat uljnih para s aktivnim ugljenom je selektivna adsorpcija smjesa uljnih para pomoću aktivnog ugljena, odvajanje HOS-eva iz ispušnog plina, a zatim vraćanje HOS-eva visoke-koncentracije kroz proces desorpcije. Proces se primarno sastoji od faza adsorpcije, desorpcije i oporavka.
(1) Faza adsorpcije.
Na temelju jedinstvene fizičke i kemijske strukture aktivnog ugljena, koja omogućuje hvatanje i fiksiranje nečistoća u plinovima (kao što su organski spojevi i molekule mirisa), kada ispušni plin koji sadrži VOC prolazi kroz sloj aktivnog ugljena nakon filtracije i hlađenja, aktivni ugljen učinkovito adsorbira VOC molekule, a pročišćeni plin se ispušta u skladu sa standardima. Osnovni mehanizam adsorpcije aktivnog ugljena može se podijeliti u dvije vrste: fizička adsorpcija i kemijska adsorpcija. Fizička adsorpcija se postiže van der Waalsovim silama između molekula. Molekule adsorbata
(kao što su VOC, pigmenti, itd.) zarobljeni su poroznom strukturom i velikom specifičnom površinom aktivnog ugljena. U kemijskoj adsorpciji dominiraju površinske reakcije. Molekule adsorbata tvore kemijske veze (kao što su kovalentne veze, vodikove veze ili ionska izmjena) s funkcionalnim skupinama na površini aktivnog ugljena, što se obično opaža u adsorpciji polarnih molekula (kao što su ioni teških metala ili kiseli plinovi). Primarni zagađivači u postrojenjima za skladištenje nafte su HOS-evi, gdje dominira fizička adsorpcija, ali ne treba zanemariti kemijsku adsorpciju, posebno u uvjetima visoke -temperature ili u prisutnosti specifičnih funkcionalnih skupina.
(2) Faza desorpcije.
Nakon što aktivni ugljen dostigne adsorpcijsko zasićenje, proces desorpcije adsorbiranih tvari s površine aktivnog ugljena pomoću fizikalnih ili kemijskih metoda kritičan je korak za regeneraciju i ponovnu upotrebu aktivnog ugljena. Uobičajene metode uključuju toplinsku desorpciju, desorpciju tlakom i desorpciju istiskivanjem. Desorpcija tlaka obično se koristi u skladištima nafte. To uključuje smanjenje tlaka u sustavu pomoću opreme kao što su vakuumske pumpe kako bi se smanjila količina adsorbata na površini aktivnog ugljena. Nakon što se tlak smanji, adsorpcijska ravnoteža je poremećena, a molekule adsorbata desorbiraju se iz aktiviranog
karbonska površina.
(3) Faza oporavka.
Visoko{0}}koncentrirani VOC plin nakon desorpcije ulazi u sustav oporabe, gdje se može oporabiti pomoću metoda kao što su apsorpcija, kondenzacija ili membransko odvajanje kako bi se smanjilo onečišćenje okoliša i rasipanje resursa. Fizička apsorpcija obično se koristi u gotovim skladištima nafte, gdje visoko-koncentrirani VOC plin dolazi u protustrujni kontakt s apsorbentom. Odvajanje se postiže korištenjem razlike u topljivosti HOS-eva u apsorbentu (kao što je benzin), uzrokujući otapanje VOC-a u apsorbentu.
2 Nenormalan porast temperature kod aktivnog ugljena i njegove opasnosti
Normalni raspon radne temperature za aktivni ugljen obično je 40-60 stupnjeva. Unutar ovog temperaturnog raspona, aktivni ugljen održava visok kapacitet adsorpcije i brzu stopu adsorpcije. Međutim, u stvarnoj upotrebi,
temperatura sloja aktivnog ugljena može značajno premašiti normalnu radnu temperaturu. Na temelju opsega i brzine porasta temperature, abnormalni porast temperature može se klasificirati u dvije vrste: spori porast temperature i brzi porast temperature. Spor porast temperature često je uzrokovan starenjem aktivnog ugljena ili nakupljanjem nečistoća u tragovima, što se obično manifestira kao temperatura sloja sloja aktivnog ugljena koja se postupno povećava brzinom od 1-3 stupnja/h, potencijalno dostižući opasne razine unutar nekoliko sati ili dana; Brzi porast temperature često je uzrokovan lokalnom adsorpcijskom koncentracijom topline ili nekontroliranim egzotermnim reakcijama (kao što je polimerizacija olefina ili oksidacija sumpornih spojeva), karakteriziran porastom temperature od preko 10 stupnjeva u roku od nekoliko minuta, s kontinuiranim brzim porastom, potencijalno dostizanjem opasnih razina u roku od nekoliko minuta ili sati.
Bez obzira na oblik abnormalnog porasta temperature u aktivnom ugljenu, kada temperatura prijeđe određeni prag, to je popraćeno abnormalnim pojavama kao što su smanjenje adsorpcijskog kapaciteta aktivnog ugljena, fluktuacije u tlaku sloja i prekomjerne emisije ispušnih plinova, a može čak dovesti do sigurnosnih problema kao što je spontano sagorijevanje. Opasnosti se prvenstveno očituju u sljedeća tri aspekta.
(1) Pad operativne učinkovitosti.
Povećanje temperature smanjuje adsorpcijski kapacitet aktivnog ugljena. Prema teoriji adsorpcijske termodinamike, fizikalna adsorpcija je egzoterman proces, a adsorpcijski kapacitet opada s porastom temperature. Statistika eksperimentalnih podataka pokazuje da se za svakih 10 stupnjeva povećanja temperature sloja adsorpcijski kapacitet aktivnog ugljena za VOC kao što su benzen i toluen smanjuje za 10% do 17%, što može dovesti do smanjene učinkovitosti oporabe sustava i čak premašiti standarde emisija,
povećanje rizika od ekoloških kazni.
(2) Oštećenje opreme.
Povećanje temperature može uzrokovati lokalizirano pregrijavanje u adsorpcijskim spremnicima (npr. na zavarenim šavovima), što dovodi do korozije zbog toplinskog naprezanja, smanjene otpornosti na tlak i nemogućnosti postizanja razina vakuuma tijekom desorpcije ili čak strukturne deformacije i pucanja spremnika; tijekom desorpcije, zagrijane uljne pare iz sloja sloja mogu oštetiti vakuumske pumpe; temperature iznad 200 stupnjeva mogu uzrokovati kolaps mikroporoznih struktura aktivnog ugljena, smanjujući specifičnu površinu za 40%–
60%, te smanjenje vrijednosti joda na 400 mg/g, što dovodi do deaktivacije aktivnog ugljena.
(3) Povećani sigurnosni rizici.
Kada temperatura sloja prijeđe točku samozapaljenja aktivnog ugljena, može izazvati otvoreni plamen. Ako koncentracija pare unutar spremnika dosegne granicu eksplozivnosti, to također može dovesti do nesreće s deflagracijom. Tvrtke za proizvodnju i skladištenje opasnih kemikalija doživjele su slične tipične nesreće zbog abnormalnog povećanja temperature aktivnog ugljena. Na primjer, 2021. rafinerija je doživjela nesreću zbog pogrešne postavke temperature desorpcije (postavljene na 180 stupnjeva, s projektiranom vrijednošću od 120 stupnjeva), što je uzrokovalo porast temperature sloja aktivnog ugljena na 250 stupnjeva u roku od 3 sata, što je rezultiralo pucanjem spremnika, istjecanjem HOS-a od 1,2 tone i izravnim ekonomskim gubicima koji premašuju
5 milijuna juana. Godine 2019. spojevi sumpora nakupili su se i oksidirali na površini aktivnog ugljena u skladištu nafte, izazivajući spontano izgaranje na lokalnoj vrućoj točki od 310 stupnjeva. Vatra se proširila na susjedne rezervoare, a gašenje je trajalo 72 sata.
