Analiza nenormalnega dviga temperature v enotah za rekuperacijo hlapov za adsorpcijo z aktivnim ogljem in preventivni ukrepi 1

Ugotovitve raziskav kažejo, da se nenormalno povišanje temperature pri aktivnem oglju primarno odvija skozi mehanizem verižne reakcije, ki je razdeljen na naslednje tri stopnje:

① Adsorpcijsko kopičenje toplote: fizična adsorpcijska toplota se združuje s kemično adsorpcijsko/reakcijsko toploto, ki jo poganjata visoko{0}}koncentrirana adsorpcija olja/plina in oksidacija sulfida;

② Catalytic cracking: Carbon deposits or metallic impurities catalyze hydrocarbon cracking, releasing heat from the cracking reaction; ③ Uncontrolled self-oxidation, where activated carbon undergoes self-oxidation, reaching its autoignition temperature threshold (160–200°C for lignin-based carbon, >300 °C za ogljik iz kokosovih lupin).

3.1 Spremembe lastnosti aktivnega oglja

Spremembe lastnosti aktivnega oglja so ključni dejavnik, ki prispeva k nenormalnemu dvigu temperature. V daljših obdobjih uporabe se lahko aktivno oglje stara, kar se kaže kot zmanjšana specifična površina, spremenjena struktura por in spremembe v kemiji površine. Te spremembe lahko povečajo adsorpcijsko toploto, kar povzroči dvig temperature. Poleg tega lahko aktivno oglje med delovanjem adsorbira--snovi, ki jih je težko{4}}desorbirati; kopičenje takih snovi lahko katalizira eksotermne reakcije, kar dodatno poslabša povišanje temperature. Če nasičenega aktivnega oglja ne zamenjate takoj, se lahko zmanjša učinkovitost adsorpcije, kar poveča tveganje nenormalnega dviga temperature.

3.2 Vpliv ogljikovodikovih komponent

Različne komponente ogljikovodikov kažejo različne adsorpcijske entalpije in reaktivnost. Nekatere makromolekularne ogljikovodike z visokim-vreliščem- je težko desorbirati. Raziskave kažejo, da imajo ogljikovodiki z ogljikovimi verigami, daljšimi od C8, znatno povišane desorpcijske energetske ovire na površinah aktivnega oglja, kar vodi do kumulativne adsorpcijske entalpije. Poleg tega so lahko reaktivne nečistoče, kot so sulfidi in olefini, prisotni v nafti in plinu, podvržene eksotermnim reakcijam, kot sta oksidacija ali polimerizacija na površini aktivnega oglja, kar povzroči zvišanje temperature. Skupni učinek teh dejavnikov lahko privede do nenormalnega dviga temperature v sloju aktivnega oglja.

3.3 Neustrezni delovni parametri

Nepravilne nastavitve delovnih parametrov so še en pomemben dejavnik, ki sproži nenormalno povišanje temperature. Previsoka koncentracija vstopnega plina lahko povzroči koncentrirano sproščanje adsorpcijske toplote, kar povzroči lokalno pregrevanje; previsoka vstopna hitrost plina lahko pospeši akumulacijo toplote; previsoka temperatura vstopnega plina neposredno zviša temperaturo plasti, kar poveča tveganje nenormalnega segrevanja; neustrezen nadzor temperature in trajanja desorpcije lahko

povzroči prekomerne ostanke snovi z-visoko vrelišče-na površini aktivnega oglja, kar poveča eksotermne reakcije med nadaljnjimi procesi adsorpcije; poleg tega lahko nerazumne nastavitve cikla povzročijo kopičenje toplote, kar na koncu povzroči nenormalen dvig temperature.

3.4 Napake pri oblikovanju opreme

Napake v konstrukciji opreme lahko povzročijo tudi nenormalen dvig temperature. Nepravilna zasnova notranje strukture adsorpcijskih rezervoarjev lahko povzroči neenakomerno porazdelitev plina, kar povzroči lokalno pregrevanje; neustrezna zasnova sistema za odvajanje toplote morda ne uspe takoj odstraniti adsorpcijske toplote, kar povzroči povišanje temperature; neustrezna postavitev točk za spremljanje temperature lahko netočno odraža dejansko temperaturo sloja aktivnega oglja, kar lahko povzroči neuspeh pri pravočasnem odkrivanju temperaturnih anomalij, zakasnitev korektivnih ukrepov ter povzroči kopičenje toplote in dvig temperature.

4 strategije za preprečevanje in nadzor nenormalnega dviga temperature v adsorpcijskih posodah z aktivnim ogljem

Za skladišča nafte, ki se soočajo z visokimi poletnimi temperaturami v južnih regijah, neposredno oskrbo z nafto/plinom iz rafinerij, povišanimi temperaturami absorberjev in skoraj-nasičenimi zmogljivostmi predelave nafte/plina, je treba izvesti ukrepe za znižanje temperature absorberja in temperature nafte/plina, ki vstopa v adsorpcijske rezervoarje in absorberje. To je namenjeno zaviranju nenormalnega dviga temperature aktivnega oglja. Ta pristop se osredotoča na manjše spremembe obstoječega procesa adsorpcije z aktivnim ogljem in začasno izključuje kombinirane procese, kot je kondenzacija. Posebne spremembe vključujejo: namestitev razpršilnih sistemov, opreme za vodno{4}}hlajenje ali odsevnih/izolacijskih materialov na dovodni liniji pred-adsorpcijskega rezervoarja, izstopni liniji vakuumske črpalke/vhodni liniji pred-absorpcijskega stolpa in liniji pred-pršilnega stolpa iz rezervoarja za shranjevanje absorbenta. To zmanjša temperaturo olja in plina, ki vstopata v adsorpcijsko posodo, kar zmanjša kopičenje toplote. Hkrati znižanje temperature absorberja poveča učinkovitost absorpcije in prepreči, da bi visoko{10}}koncentrirane oljne hlape ponovno-vstopile v adsorpcijsko posodo za ponovno-adsorpcijo in sproščanje toplote, s čimer se nadzoruje dvig temperature aktivnega oglja.

4.2 Izbira in optimizacija adsorpcijskega sredstva

Izberite aktivno oglje z ustrezno porazdelitvijo velikosti por in površinsko kemijo glede na dejansko sestavo oljnih hlapov, ki se obdelujejo. Aktivno oglje redno zamenjajte ali regenerirajte, da se izognete tveganju nenormalnega dviga temperature zaradi staranja. Razmislite o uporabi površinsko-modificiranega ali s katalizatorjem-dopiranega aktivnega oglja, da izboljšate njegovo visoko-temperaturno odpornost. Osredotočite raziskave na kombinirane aplikacije več adsorbentov za nadzor adsorpcijske toplote. Poskusi na primer potrjujejo, da kompozitna plast silikagel-z aktivnim ogljem zmanjša adsorpcijsko toploto za 35 % in podaljša čas preboja za ogljikovodike C6–C12 za 20 %. Silikagel je sestavljen iz togih, amorfnih verižno-podobnih in mrežasto-strukturiranih polimernih delcev silicijevega dioksida. Njegova porazdelitev velikosti por obsega širok razpon brez enakomernosti, značilnost, podobna aktivnemu oglju. Ta podobnost določa, da ima silikagel primerljivo zmogljivost z aktivnim ogljem pri aplikacijah za adsorpcijo organskih plinov. Zrel hidrofobni silikagel kaže hidrofobnost, ne-vnetljivost in anti-statične lastnosti. Ko se uporablja kot adsorbent, ne adsorbira vodne pare, ki jo zadržujejo tokovi nafte in plina, in med postopkom adsorpcije ne ustvarja toplote. Natančneje, spodnjo plast silikagela lahko napolnimo z zgornjo plastjo aktivnega oglja. Po eni strani silikagel kaže vrhunsko adsorpcijsko učinkovitost za visoko{23}}koncentrirane naftne in plinske tokove, z znatno nižjim sproščanjem toplote med adsorpcijo v primerjavi z aktivnim ogljem. Po drugi strani ima aktivno oglje dobro adsorpcijsko zmogljivost za olje in plin z nizko-koncentracijo, medtem ko med adsorpcijo ustvarja minimalno toploto. Uporaba silikagela v spodnjem sloju za adsorpcijo olja in plina z visoko-koncentracijo, čemur sledi aktivno oglje v zgornjem sloju za olje in plin z nizko{28}}koncentracijo, optimalno izkorišča adsorpcijske lastnosti obeh adsorbentov [1] in zmanjšuje nastajanje adsorpcijske toplote s procesnega vidika.

4.3 Optimiziranje zasnove adsorpcijskega rezervoarja

Izboljšanje zasnove adsorpcijskega rezervoarja je ključnega pomena za preprečevanje nenormalnega dviga temperature. Ključni ukrepi vključujejo: sprejetje modularne zasnove za lažje vzdrževanje in zamenjavo; izboljšanje notranje strukture rezervoarja za zagotovitev enakomerne porazdelitve plina; izboljšanje sistemov za odvajanje toplote za povečanje učinkovitosti odvajanja toplote; in strateško postavitev točk za spremljanje temperature za doseganje celovitega nadzora celotne plasti aktivnega oglja. Priporoča se segmentirana oblika adsorpcijskega rezervoarja. Ta pristop porazdeli adsorpcijsko toploto na več stopenj, kar zmanjša toplotno obremenitev na rezervoar.

Na podlagi operativnih izkušenj z adsorpcijskimi enotami za pridobivanje olja in plina z aktivnim ogljem v avtorjevem podjetju nenormalna povišanja temperature v enotah z aktivnim ogljem dosledno izvirajo iz povečanih količin predelave. Medtem ko povečanje prostornine rezervoarja za povečanje porabe aktivnega oglja poveča zmogljivost enote, ta zasnova poveča toplotno obremenitev na adsorpcijsko posodo, kar ogroža stabilno delovanje. Namesto tega priporočamo povečanje števila adsorpcijskih rezervoarjev za povečanje zmogljivosti. Ta pristop zmanjša toplotno obremenitev na rezervoar in omogoči vrtenje rezervoarja, kar omogoča temeljitejšo desorpcijo in spodbuja dolgoročno-stabilno delovanje.

4.4 Optimiziranje delovnih parametrov

(1) Optimizirajte koncentracijo in temperaturo vstopnega plina glede na dejanske delovne pogoje, da preprečite pregrevanje, ki ga povzročijo previsoke koncentracije ali temperature.

(2) Povečajte hitrost obračanja absorbenta (bencin), da preprečite dolgotrajno stagnacijo. Dolgotrajno stagniranje vodi do povečanih deležev lahkih komponent in povišanih temperatur v absorbentu, kar zmanjša učinkovitost absorpcije. To omogoča neabsorbiranim visoko{3}}temperaturnim in visoko{4}}koncentriranim oljnim hlapom, da ponovno-vstopijo v adsorpcijsko posodo, s čimer se poveča obremenitveni tlak enote in povzroči stalno kopičenje toplote.

(3) Racionalno nadzorujte temperaturo in trajanje desorpcije, da zagotovite popolno desorpcijo.

(4) Optimizirajte obdobja ciklov za uravnoteženje procesov adsorpcije in desorpcije ter preprečite kopičenje toplote.

(5) Vzpostavite celovit sistem spremljanja in zgodnjega opozarjanja za takojšnje odkrivanje in obravnavanje nepravilnosti.

4.5 Razvoj novih adsorpcijskih materialov

Razvijanje novih adsorpcijskih materialov predstavlja dolgoročno-rešitev za težave z nenormalnim dvigom temperature. Raziskave bi se morale osredotočiti na razvoj adsorbentov z izboljšano toplotno stabilnostjo in selektivnostjo, kot so kovinska-organska ogrodja (MOF) in kovalentna organska ogrodja (COF). Raziščite integracijo materialov s fazno spremembo (PCM) v adsorpcijske postelje, da izkoristite njihove lastnosti-vsrkavanja toplote za nadzor temperature. Razvijte samo-kompozitne materiale za izboljšanje zmogljivosti toplotnega upravljanja sistema.

Nenormalno povišanje temperature aktivnega oglja v enotah za pridobivanje nafte in plina izvira predvsem iz sprememb v lastnostih ogljika, vpliva komponent ogljikovodikov, neustreznih delovnih parametrov in pomanjkljivosti v konstrukciji opreme. Za odpravo teh vzrokov morajo preventivne strategije vključevati optimizacijo izbire aktivnega oglja, izboljšanje zasnove opreme, izboljšanje delovnih parametrov in razvoj novih adsorbentov. Ugotovitve te študije imajo pomembne posledice za izboljšanje varnosti in učinkovitosti sistemov za pridobivanje nafte in plina. Učinkovito lahko ublažijo tveganje nenormalnega dviga temperature, podaljšajo življenjsko dobo opreme in izboljšajo učinkovitost pridobivanja nafte in plina. Prihodnje raziskave bi se morale osredotočiti na razvoj in uporabo novih adsorbentnih materialov, pa tudi na vzpostavitev inteligentnih sistemov za spremljanje in zgodnje opozarjanje za nadaljnje izboljšanje učinkovitosti in zanesljivosti sistemov za pridobivanje nafte in plina.