So zvyšujúcou sa prísnosťou environmentálnych predpisov a rastúcim povedomím verejnosti o ochrane životného prostredia narastá dôležitosť technológie spätného získavania pár v petrochemickom priemysle. Adsorpcia aktívneho uhlia ako efektívna a ekonomická technológia spätného získavania pár sa široko používa v oblastiach, ako sú zariadenia na skladovanie ropy. Počas skutočnej prevádzky však často dochádza k abnormálnemu zvýšeniu teploty v adsorpčnej nádrži s aktívnym uhlím, čo predstavuje vážnu hrozbu pre bezpečnú prevádzku systému a účinnosť obnovy, čo si vyžaduje okamžité riešenie. Cieľom tejto štúdie je dôkladne preskúmať príčiny abnormálneho nárastu teploty v systémoch rekuperácie pár s adsorpciou aktívneho uhlia a navrhnúť efektívne stratégie prevencie a kontroly, ktoré poskytnú referencie pre optimalizovaný dizajn a bezpečnú prevádzku systémov rekuperácie pár.
1 Prehľad zariadení na rekuperáciu pár s adsorpciou aktívneho uhlia
Adsorpcia aktívneho uhliazariadenia na rekuperáciu párprimárne využívajú vysokú adsorpčnú účinnosť aktívneho uhlia na adsorpciu a regeneráciu prchavých organických zlúčenín (VOC). Vďaka výhodám technológie adsorpcie aktívneho uhlia v zariadeniach na rekuperáciu pár, ako je vysoká účinnosť adsorpcie, silná adaptabilita, ekonomická uskutočniteľnosť a stabilná prevádzka, sú široko používané v zariadeniach na skladovanie hotových olejov, čo prináša významné environmentálne a ekonomické výhody.
1.1 Priebeh procesu
Adsorpčný olej s aktívnym uhlímsystém rekuperácie párpozostáva predovšetkým zo systému predúpravy (filtre, chladiče atď.), adsorpčného systému (adsorpčné nádrže, vrstvy aktívneho uhlia, vstupné systémy atď.), desorpčného systému (vákuové čerpadlá atď.), systému regenerácie (veže pračiek atď.) a riadiaceho systému (PLC, senzory a prístroje atď.).
1) Výfukové plyny vstupujú do systému predúpravy, kde sú pred vstupom do adsorpčného systému filtrované a ochladzované.
(2) Výfukové plyny vstupujú do adsorpčného systému, kde sú VOC adsorbované aktívnym uhlím v adsorpčnom lôžku a vyčistený plyn je emitovaný.
(3) Výfukové plyny vstupujú do desorpčného systému. Keď aktívne uhlie dosiahne adsorpčnú saturáciu, prepne sa do desorpčného režimu na desorbovanie VOC.
(4) Výfukové plyny vstupujú do regeneračného systému, kde sa regenerujú plyny s vysokou koncentráciou VOC po desorpcii.
(5) Riadiaci systém systému monitoruje a upravuje parametre v reálnom-čase vo všetkých fázach, aby sa zabezpečila efektívna a stabilná prevádzka systému.
1.2 Pracovný princíp
Základným pracovným princípom adsorpčného systému regenerácie olejových pár s aktívnym uhlím je selektívna adsorpcia zmesí olejových pár pomocou aktívneho uhlia, oddeľovanie prchavých organických zlúčenín z výfukových plynov a následné získavanie prchavých organických zlúčenín s vysokou{0}}koncentráciou prostredníctvom procesu desorpcie. Proces primárne pozostáva z fáz adsorpcie, desorpcie a regenerácie.
(1) Fáza adsorpcie.
Na základe unikátnej fyzikálnej a chemickej štruktúry aktívneho uhlia, ktorá umožňuje zachytávanie a fixáciu nečistôt v plynoch (ako sú organické zlúčeniny a molekuly zápachu), keď výfukové plyny obsahujúce VOC po filtrácii a ochladení prechádzajú cez vrstvu aktívneho uhlia, aktívne uhlie účinne adsorbuje molekuly VOC a vyčistený plyn je vypúšťaný v súlade s normami. Základný mechanizmus adsorpcie aktívneho uhlia možno rozdeliť do dvoch typov: fyzikálna adsorpcia a chemická adsorpcia. Fyzikálna adsorpcia sa dosahuje prostredníctvom van der Waalsových síl medzi molekulami. Molekuly adsorbátu
(ako sú VOC, pigmenty atď.) sú zachytené poréznou štruktúrou a veľkým špecifickým povrchom aktívneho uhlia. Chemickej adsorpcii dominujú povrchové reakcie. Molekuly adsorbátu tvoria chemické väzby (ako sú kovalentné väzby, vodíkové väzby alebo iónová výmena) s funkčnými skupinami na povrchu aktívneho uhlia, čo sa bežne pozoruje pri adsorpcii polárnych molekúl (ako sú ióny ťažkých kovov alebo kyslé plyny). Primárnymi znečisťujúcimi látkami v zariadeniach na skladovanie ropy sú VOC, kde dominuje fyzikálna adsorpcia, ale chemická adsorpcia by sa nemala prehliadať, najmä v podmienkach vysokej-teploty alebo v prítomnosti špecifických funkčných skupín.
(2) Desorpčná fáza.
Keď aktívne uhlie dosiahne adsorpčnú saturáciu, proces desorbovania adsorbovaných látok z povrchu aktívneho uhlia pomocou fyzikálnych alebo chemických metód je kritickým krokom pre regeneráciu a opätovné použitie aktívneho uhlia. Bežné metódy zahŕňajú tepelnú desorpciu, tlakovú desorpciu a vytesňovaciu desorpciu. Tlaková desorpcia sa bežne používa v zariadeniach na skladovanie ropy. To zahŕňa zníženie tlaku v systéme pomocou zariadení, ako sú vákuové pumpy, aby sa znížilo množstvo adsorbátu na povrchu aktívneho uhlia. Po znížení tlaku sa naruší adsorpčná rovnováha a molekuly adsorbátu sa desorbujú z aktivovaného
uhlíkový povrch.
(3) Fáza obnovy.
Plyn s vysokou koncentráciou prchavých organických zlúčenín po desorpcii vstupuje do regeneračného systému, kde ho možno získať pomocou metód, ako je absorpcia, kondenzácia alebo membránová separácia, aby sa znížilo znečistenie životného prostredia a plytvanie zdrojmi. Fyzická absorpcia sa bežne používa v hotových skladovacích zariadeniach na ropu, kde plyny s vysokou koncentráciou VOC prichádzajú do protiprúdového kontaktu s absorbentom. Separácia sa dosiahne využitím rozdielu v rozpustnosti VOC v absorbente (ako je benzín), čo spôsobí, že sa VOC rozpustia v absorbente.
2 Abnormálny nárast teploty aktívneho uhlia a jeho nebezpečenstvá
Normálny rozsah prevádzkových teplôt pre aktívne uhlie je zvyčajne 40–60 stupňov. V tomto teplotnom rozsahu si aktívne uhlie zachováva vysokú adsorpčnú kapacitu a rýchle adsorpčné rýchlosti. Pri skutočnom používaní však
teplota lôžka s aktívnym uhlím môže výrazne prekročiť bežnú prevádzkovú teplotu. Na základe rozsahu a rýchlosti nárastu teploty možno abnormálny nárast teploty rozdeliť do dvoch typov: pomalý nárast teploty a rýchly nárast teploty. Pomalý nárast teploty je často spôsobený starnutím aktívneho uhlia alebo akumuláciou stopových nečistôt, čo sa zvyčajne prejavuje postupným zvyšovaním teploty vrstvy aktívneho uhlia rýchlosťou 1 – 3 stupne/h, pričom potenciálne môže dosiahnuť nebezpečnú úroveň v priebehu niekoľkých hodín alebo dní; Rýchly nárast teploty je často spôsobený lokalizovanou koncentráciou adsorpčného tepla alebo nekontrolovanými exotermickými reakciami (ako je polymerizácia olefínov alebo oxidácia zlúčenín síry), ktoré sa vyznačujú zvýšením teploty o viac ako 10 stupňov v priebehu niekoľkých minút s neustálym rýchlym nárastom, ktorý potenciálne môže dosiahnuť nebezpečné úrovne v priebehu niekoľkých minút alebo hodín.
Bez ohľadu na formu abnormálneho zvýšenia teploty aktívneho uhlia, keď teplota prekročí určitú hranicu, je sprevádzané abnormálnymi javmi, ako je zníženie adsorpčnej kapacity aktívneho uhlia, kolísanie tlaku lôžka a nadmerné emisie výfukových plynov, a môže dokonca viesť k bezpečnostným problémom, ako je samovznietenie. Nebezpečenstvá sa primárne prejavujú v nasledujúcich troch aspektoch.
(1) Pokles prevádzkovej efektívnosti.
Zvýšenie teploty znižuje adsorpčnú kapacitu aktívneho uhlia. Podľa teórie adsorpčnej termodynamiky je fyzikálna adsorpcia exotermický proces a adsorpčná kapacita klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Štatistiky experimentálnych údajov ukazujú, že s každým zvýšením teploty lôžka o 10 stupňov klesá adsorpčná kapacita aktívneho uhlia pre VOC, ako je benzén a toluén, o 10 % až 17 %, čo môže viesť k zníženiu účinnosti regenerácie systému a dokonca k prekročeniu emisných noriem,
zvyšuje riziko environmentálnych sankcií.
(2) Poškodenie zariadenia.
Zvýšenie teploty môže spôsobiť lokálne prehriatie v adsorpčných nádržiach (napr. vo zvarových švoch), čo vedie ku korózii tepelného namáhania, zníženej odolnosti voči tlaku a nemožnosti dosiahnuť úrovne vákua počas desorpcie alebo dokonca k štrukturálnej deformácii a praskaniu nádrže; počas desorpcie môžu zohriate olejové pary z vrstvy lôžka poškodiť vákuové čerpadlá; teploty presahujúce 200 stupňov môžu spôsobiť kolaps mikroporéznych štruktúr aktívneho uhlia, čím sa zníži špecifický povrch o 40 % –
60%, a zníženie jódového čísla na 400 mg/g, čo vedie k deaktivácii aktívneho uhlia.
(3) Zvýšené bezpečnostné riziká.
Keď teplota vrstvy lôžka prekročí bod samovznietenia aktívneho uhlia, môže to spôsobiť otvorený oheň. Ak koncentrácia pár vo vnútri nádrže dosiahne limit výbušnosti, môže to tiež viesť k výbuchu. Spoločnosti na výrobu a skladovanie nebezpečných chemikálií zaznamenali podobné typické nehody v dôsledku abnormálneho zvýšenia teploty aktívneho uhlia. Napríklad v roku 2021 došlo v rafinérii k havárii v dôsledku nesprávneho nastavenia desorpčnej teploty (nastavenej na 180 stupňov s konštrukčnou hodnotou 120 stupňov), čo spôsobilo zvýšenie teploty lôžka s aktívnym uhlím na 250 stupňov do 3 hodín, čo malo za následok prasknutie nádrže, únik VOC 1,2 tony a priame ekonomické straty prekračujúce
5 miliónov juanov. V roku 2019 sa zlúčeniny síry nahromadili a zoxidovali na povrchu aktívneho uhlia v zariadení na skladovanie ropy, čo vyvolalo samovznietenie v miestnom hotspote 310 stupňov. Požiar sa rozšíril do priľahlých skladovacích nádrží a jeho likvidácia trvala 72 hodín.
