Με την αυξανόμενη αυστηρότητα των περιβαλλοντικών κανονισμών και την αυξανόμενη ευαισθητοποίηση του κοινού για την προστασία του περιβάλλοντος, η σημασία της τεχνολογίας ανάκτησης ατμών στην πετροχημική βιομηχανία γίνεται ολοένα και πιο σημαντική. Η προσρόφηση ενεργού άνθρακα, ως αποτελεσματική και οικονομική τεχνολογία ανάκτησης ατμών, έχει εφαρμοστεί ευρέως σε πεδία όπως οι εγκαταστάσεις αποθήκευσης πετρελαίου. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της πραγματικής λειτουργίας, εμφανίζεται συχνά ασυνήθιστη αύξηση της θερμοκρασίας στη δεξαμενή προσρόφησης ενεργού άνθρακα, που αποτελεί σοβαρή απειλή για την ασφαλή λειτουργία του συστήματος και την αποτελεσματικότητα ανάκτησης, απαιτώντας επείγουσα επίλυση. Αυτή η μελέτη στοχεύει να διερευνήσει διεξοδικά τα αίτια της μη φυσιολογικής αύξησης της θερμοκρασίας στα συστήματα ανάκτησης ατμών προσρόφησης ενεργού άνθρακα και να προτείνει αποτελεσματικές στρατηγικές πρόληψης και ελέγχου για να παρέχει αναφορές για τον βελτιστοποιημένο σχεδιασμό και την ασφαλή λειτουργία των συστημάτων ανάκτησης ατμών.
1 Επισκόπηση των συσκευών ανάκτησης ατμών με προσρόφηση ενεργού άνθρακα
Προσρόφηση ενεργού άνθρακασυσκευές ανάκτησης ατμώνχρησιμοποιούν κυρίως την υψηλή απόδοση προσρόφησης του ενεργού άνθρακα για την προσρόφηση και την ανάκτηση πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs). Λόγω των πλεονεκτημάτων της τεχνολογίας προσρόφησης ενεργού άνθρακα σε συσκευές ανάκτησης ατμών, όπως η υψηλή απόδοση προσρόφησης, η ισχυρή προσαρμοστικότητα, η οικονομική σκοπιμότητα και η σταθερή λειτουργία, εφαρμόζονται ευρέως σε εγκαταστάσεις τελικής αποθήκευσης πετρελαίου, αποφέροντας σημαντικά περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη.
1.1 Ροή διαδικασίας
Το λάδι προσρόφησης ενεργού άνθρακασύστημα ανάκτησης ατμώναποτελείται κυρίως από ένα σύστημα προεπεξεργασίας (φίλτρα, ψύκτες κ.λπ.), ένα σύστημα προσρόφησης (δεξαμενές προσρόφησης, στρώματα στρώματος ενεργού άνθρακα, συστήματα εισόδου κ.λπ.), ένα σύστημα εκρόφησης (αντλίες κενού κ.λπ.), ένα σύστημα ανάκτησης (πύργοι πλύσης κ.λπ.) και ένα σύστημα ελέγχου (PLC, όργανο, αισθητήρες κ.λπ. και).
1) Τα καυσαέρια εισέρχονται στο σύστημα προεπεξεργασίας, όπου φιλτράρονται και ψύχονται πριν εισέλθουν στο σύστημα προσρόφησης.
(2) Τα καυσαέρια εισέρχονται στο σύστημα προσρόφησης, όπου οι πτητικές οργανικές ενώσεις απορροφώνται από ενεργό άνθρακα στην κλίνη προσρόφησης και το καθαρό αέριο εκπέμπεται.
(3) Τα καυσαέρια εισέρχονται στο σύστημα εκρόφησης. Όταν ο ενεργός άνθρακας φτάσει σε κορεσμό προσρόφησης, μεταβαίνει σε λειτουργία εκρόφησης για να εκροφήσει τα VOC.
(4) Τα καυσαέρια εισέρχονται στο σύστημα ανάκτησης, όπου ανακτάται το αέριο ΠΟΕ υψηλής-συγκέντρωσης μετά την εκρόφηση.
(5) Το σύστημα ελέγχου συστήματος παρακολουθεί και προσαρμόζει τις παραμέτρους σε πραγματικό{1}χρόνο σε όλα τα στάδια για να εξασφαλίσει αποτελεσματική και σταθερή λειτουργία του συστήματος.
1.2 Αρχή εργασίας
Η βασική αρχή λειτουργίας του συστήματος ανάκτησης ατμών λαδιού προσρόφησης ενεργού άνθρακα είναι η επιλεκτική απορρόφηση μιγμάτων ατμών λαδιού με χρήση ενεργού άνθρακα, διαχωρισμός πτητικών οργανικών ενώσεων από τα καυσαέρια και, στη συνέχεια, ανάκτηση πτητικών οργανικών ενώσεων υψηλής{{0} συγκέντρωσης μέσω της διαδικασίας εκρόφησης. Η διαδικασία αποτελείται κυρίως από στάδια προσρόφησης, εκρόφησης και ανάκτησης.
(1) Στάδιο προσρόφησης.
Με βάση τη μοναδική φυσική και χημική δομή του ενεργού άνθρακα, η οποία επιτρέπει τη δέσμευση και τη στερέωση ακαθαρσιών στα αέρια (όπως οργανικές ενώσεις και μόρια οσμής), όταν τα καυσαέρια που περιέχουν πτητικές οργανικές ενώσεις διέρχονται από την κλίνη ενεργού άνθρακα μετά από διήθηση και ψύξη, ο ενεργός άνθρακας απορροφά αποτελεσματικά τα μόρια πτητικών οργανικών ενώσεων. Ο βασικός μηχανισμός της προσρόφησης ενεργού άνθρακα μπορεί να χωριστεί σε δύο τύπους: φυσική προσρόφηση και χημική προσρόφηση. Η φυσική προσρόφηση επιτυγχάνεται μέσω των δυνάμεων van der Waals μεταξύ των μορίων. Προσροφήστε μόρια
(όπως ΠΟΕ, χρωστικές, κ.λπ.) δεσμεύονται από την πορώδη δομή και τη μεγάλη ειδική επιφάνεια του ενεργού άνθρακα. Η χημική προσρόφηση κυριαρχείται από επιφανειακές αντιδράσεις. Τα προσροφητικά μόρια σχηματίζουν χημικούς δεσμούς (όπως ομοιοπολικούς δεσμούς, δεσμούς υδρογόνου ή ανταλλαγή ιόντων) με λειτουργικές ομάδες στην επιφάνεια του ενεργού άνθρακα, που συνήθως παρατηρούνται στην προσρόφηση πολικών μορίων (όπως ιόντα βαρέων μετάλλων ή όξινα αέρια). Οι κύριοι ρύποι στις εγκαταστάσεις αποθήκευσης πετρελαίου είναι οι πτητικές οργανικές ενώσεις, όπου κυριαρχεί η φυσική προσρόφηση, αλλά η χημική προσρόφηση δεν πρέπει να παραβλέπεται, ειδικά υπό συνθήκες υψηλής{{4} θερμοκρασίας ή παρουσία συγκεκριμένων λειτουργικών ομάδων.
(2) Στάδιο εκρόφησης.
Αφού ο ενεργός άνθρακας φτάσει σε κορεσμό προσρόφησης, η διαδικασία εκρόφησης προσροφημένων ουσιών από την επιφάνεια του ενεργού άνθρακα χρησιμοποιώντας φυσικές ή χημικές μεθόδους είναι ένα κρίσιμο βήμα για την αναγέννηση και επαναχρησιμοποίηση ενεργού άνθρακα. Οι κοινές μέθοδοι περιλαμβάνουν τη θερμική εκρόφηση, την εκρόφηση υπό πίεση και την εκτόπιση εκτόπισης. Η εκρόφηση υπό πίεση χρησιμοποιείται συνήθως σε εγκαταστάσεις αποθήκευσης πετρελαίου. Αυτό περιλαμβάνει τη μείωση της πίεσης του συστήματος χρησιμοποιώντας εξοπλισμό όπως αντλίες κενού για τη μείωση της ποσότητας προσροφημένου στην επιφάνεια του ενεργού άνθρακα. Μόλις μειωθεί η πίεση, η ισορροπία προσρόφησης διαταράσσεται και τα προσροφητικά μόρια εκροφούνται από το ενεργοποιημένο
επιφάνεια άνθρακα.
(3) Στάδιο ανάκτησης.
Το αέριο ΠΟΕ υψηλής-συγκέντρωσης μετά την εκρόφηση εισέρχεται στο σύστημα ανάκτησης, όπου μπορεί να ανακτηθεί χρησιμοποιώντας μεθόδους όπως η απορρόφηση, η συμπύκνωση ή ο διαχωρισμός μεμβράνης για τη μείωση της περιβαλλοντικής ρύπανσης και της σπατάλης πόρων. Η φυσική απορρόφηση χρησιμοποιείται συνήθως σε εγκαταστάσεις τελικής αποθήκευσης λαδιού, όπου το αέριο πτητικών οργανικών ενώσεων υψηλής συγκέντρωσης{2}}έρχεται σε αντίρροπη επαφή με ένα απορροφητικό. Ο διαχωρισμός επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας τη διαφορά στη διαλυτότητα των πτητικών οργανικών ενώσεων στο απορροφητικό (όπως η βενζίνη), προκαλώντας τη διάλυση των πτητικών οργανικών ενώσεων στο απορροφητικό.
2 Μη φυσιολογική αύξηση της θερμοκρασίας στον ενεργό άνθρακα και οι κίνδυνοι του
Το κανονικό εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας για τον ενεργό άνθρακα είναι συνήθως 40–60 μοίρες. Μέσα σε αυτό το εύρος θερμοκρασίας, ο ενεργός άνθρακας διατηρεί υψηλή ικανότητα προσρόφησης και ταχείς ρυθμούς προσρόφησης. Ωστόσο, στην πραγματική χρήση,
η θερμοκρασία της κλίνης ενεργού άνθρακα μπορεί να υπερβαίνει σημαντικά την κανονική θερμοκρασία λειτουργίας. Με βάση την έκταση και το ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας, η μη φυσιολογική άνοδος της θερμοκρασίας μπορεί να ταξινομηθεί σε δύο τύπους: αργή άνοδο της θερμοκρασίας και ταχεία άνοδος της θερμοκρασίας. Η αργή άνοδος της θερμοκρασίας προκαλείται συχνά από τη γήρανση του ενεργού άνθρακα ή τη συσσώρευση ιχνών ακαθαρσιών, που τυπικά εκδηλώνεται ως η θερμοκρασία του στρώματος του ενεργού άνθρακα να αυξάνεται σταδιακά με ρυθμό 1–3 βαθμούς/ώρα, φτάνοντας ενδεχομένως σε επικίνδυνα επίπεδα εντός ωρών ή ημερών. Η ταχεία άνοδος της θερμοκρασίας προκαλείται συχνά από τοπική συγκέντρωση θερμότητας προσρόφησης ή ανεξέλεγκτες εξώθερμες αντιδράσεις (όπως πολυμερισμός ολεφινών ή οξείδωση ένωσης θείου), που χαρακτηρίζονται από αύξηση θερμοκρασίας άνω των 10 βαθμών μέσα σε λίγα λεπτά, με συνεχή ταχεία άνοδο, φθάνοντας δυνητικά σε επικίνδυνα επίπεδα μέσα σε λίγα λεπτά ή ώρες.
Ανεξάρτητα από τη μορφή της μη φυσιολογικής αύξησης της θερμοκρασίας στον ενεργό άνθρακα, όταν η θερμοκρασία υπερβαίνει ένα ορισμένο όριο, συνοδεύεται από μη φυσιολογικά φαινόμενα όπως μείωση της ικανότητας προσρόφησης ενεργού άνθρακα, διακυμάνσεις στην πίεση της κλίνης και υπερβολικές εκπομπές καυσαερίων και μπορεί να οδηγήσει ακόμη και σε ζητήματα ασφάλειας όπως η αυθόρμητη καύση. Οι κίνδυνοι εκδηλώνονται κυρίως στις ακόλουθες τρεις πτυχές.
(1) Μείωση της λειτουργικής αποτελεσματικότητας.
Οι αυξήσεις της θερμοκρασίας μειώνουν την ικανότητα προσρόφησης του ενεργού άνθρακα. Σύμφωνα με τη θεωρία της θερμοδυναμικής προσρόφησης, η φυσική προσρόφηση είναι μια εξώθερμη διαδικασία και η ικανότητα προσρόφησης μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στατιστικά πειραματικών δεδομένων δείχνουν ότι για κάθε αύξηση 10 μοιρών στη θερμοκρασία του κρεβατιού, η ικανότητα προσρόφησης ενεργού άνθρακα για πτητικές οργανικές ενώσεις όπως το βενζόλιο και το τολουόλιο μειώνεται κατά 10% έως 17%, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη απόδοση ανάκτησης του συστήματος και ακόμη και να υπερβεί τα πρότυπα εκπομπών.
αυξάνοντας τον κίνδυνο περιβαλλοντικών κυρώσεων.
(2) Βλάβη εξοπλισμού.
Οι αυξήσεις της θερμοκρασίας μπορεί να προκαλέσουν τοπική υπερθέρμανση στις δεξαμενές προσρόφησης (π.χ. στις ραφές συγκόλλησης), που οδηγεί σε διάβρωση θερμικής καταπόνησης, μειωμένη αντίσταση πίεσης και αδυναμία επίτευξης επιπέδων κενού κατά την εκρόφηση ή ακόμη και δομική παραμόρφωση και ρωγμές της δεξαμενής. κατά τη διάρκεια της εκρόφησης, οι ατμοί του θερμαινόμενου λαδιού από το στρώμα της κλίνης μπορεί να καταστρέψουν τις αντλίες κενού. θερμοκρασίες άνω των 200 βαθμών μπορεί να προκαλέσουν κατάρρευση μικροπορωδών δομών ενεργού άνθρακα, μειώνοντας την ειδική επιφάνεια κατά 40%–
60% και μείωση της τιμής του ιωδίου στα 400 mg/g, που οδηγεί στην απενεργοποίηση του ενεργού άνθρακα.
(3) Αυξημένοι κίνδυνοι για την ασφάλεια.
Όταν η θερμοκρασία του στρώματος υπερβαίνει το σημείο αυτοανάφλεξης του ενεργού άνθρακα, μπορεί να προκαλέσει ανοιχτές φλόγες. Εάν η συγκέντρωση ατμών στο εσωτερικό της δεξαμενής φτάσει το όριο έκρηξης, μπορεί επίσης να οδηγήσει σε ατύχημα ανάφλεξης. Οι εταιρείες παραγωγής και αποθήκευσης επικίνδυνων χημικών έχουν βιώσει παρόμοια τυπικά ατυχήματα λόγω μη φυσιολογικών αυξήσεων θερμοκρασίας στον ενεργό άνθρακα. Για παράδειγμα, το 2021, ένα διυλιστήριο παρουσίασε ατύχημα λόγω λανθασμένης ρύθμισης θερμοκρασίας εκρόφησης (ρυθμίστηκε στους 180 βαθμούς , με τιμή σχεδιασμού 120 μοίρες), με αποτέλεσμα η θερμοκρασία κλίνης ενεργού άνθρακα να ανέλθει στους 250 βαθμούς εντός 3 ωρών, με αποτέλεσμα ρωγμές στη δεξαμενή, διαρροή πτητικών οργανικών ενώσεων κατά 1,2 και άμεσες οικονομικές απώλειες,
5 εκατομμύρια γιουάν. Το 2019, ενώσεις θείου συσσωρεύτηκαν και οξειδώθηκαν στην επιφάνεια του ενεργού άνθρακα σε μια εγκατάσταση αποθήκευσης πετρελαίου, προκαλώντας αυθόρμητη καύση σε τοπικό hotspot 310 μοιρών. Η φωτιά επεκτάθηκε σε παρακείμενες δεξαμενές αποθήκευσης και χρειάστηκαν 72 ώρες για να σβήσει.
