Analys av onormal temperaturökning i ångåtervinningsenheter för aktiv koladsorption och förebyggande åtgärder 1

Forskningsresultat tyder på att onormal temperaturökning i aktivt kol främst utvecklas genom en kedjereaktionsmekanism, uppdelad i följande tre steg:

① Adsorptionsvärmeackumulering: Fysisk adsorptionsvärme kombineras med kemisk adsorptions-/reaktionsvärme, driven av hög-koncentration av olja/gasadsorption och sulfidoxidation;

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 för kokosnötskalkol).

3.1 Ändringar i egenskaperna för aktivt kol

Förändringar i aktivt kols egenskaper är en nyckelfaktor som bidrar till onormal temperaturökning. Under längre användningsperioder kan aktivt kol åldras, vilket visar sig som minskad specifik yta, förändrad porstruktur och förändringar i ytkemi. Dessa förändringar kan öka adsorptionsvärmen, vilket utlöser temperaturhöjningar. Dessutom kan aktivt kol adsorbera ämnen som är svåra-att-desorbera under drift; ackumuleringen av sådana ämnen kan katalysera exoterma reaktioner, vilket ytterligare förvärrar temperaturökningar. Underlåtenhet att ersätta mättat aktivt kol omedelbart kan minska adsorptionseffektiviteten, vilket ökar risken för onormal temperaturökning.

3.2 Inverkan av kolvätekomponenter

Olika kolvätekomponenter uppvisar varierande adsorptionsentalpier och reaktivitet. Vissa makromolekylära kolväten med hög -kokpunkt- kan vara svåra att desorbera. Forskning visar att kolväten med kolkedjor längre än C8 uppvisar signifikant förhöjda desorptionsenergibarriärer på aktivt kolsytor, vilket leder till kumulativ adsorptionsentalpi. Dessutom kan reaktiva föroreningar som sulfider och olefiner som finns i olja och gas genomgå exoterma reaktioner såsom oxidation eller polymerisation på ytan av aktivt kol, vilket orsakar temperaturökningar. Den kombinerade effekten av dessa faktorer kan leda till onormala temperaturhöjningar i bädden av aktivt kol.

3.3 Felaktiga driftsparametrar

Felaktiga driftsparameterinställningar utgör en annan viktig faktor som utlöser onormala temperaturökningar. Alltför hög koncentration av inloppsgas kan orsaka koncentrerad frisättning av adsorptionsvärme, vilket inducerar lokal överhettning; alltför hög inloppsgashastighet kan påskynda värmeackumulering; för hög inloppsgastemperatur höjer direkt bäddtemperaturen, vilket ökar risken för onormal uppvärmning; felaktig kontroll av desorptionstemperatur och varaktighet kan

resultera i överflödiga kvarvarande hög-kokpunkts-ämnen på ytan av aktivt kol, vilket ökar exoterma reaktioner under efterföljande adsorptionsprocesser; dessutom kan orimliga cykelinställningar leda till värmeackumulering, vilket i slutändan utlöser onormal temperaturhöjning.

3.4 Utformningsdefekter i utrustning

Brister i utrustningens design kan också orsaka onormal temperaturökning. Felaktig inre strukturdesign av adsorptionstankar kan resultera i ojämn gasfördelning, vilket orsakar lokal överhettning; otillräcklig design av värmeavledningssystem kan misslyckas med att omedelbart avlägsna adsorptionsvärme, vilket leder till temperaturökningar; felaktig placering av temperaturövervakningspunkter kan felaktigt återspegla den faktiska temperaturen på den aktiva kolbädden, eventuellt misslyckas med att upptäcka temperaturavvikelser i tid, fördröja korrigerande åtgärder och orsaka värmeackumulering och temperaturhöjning.

4 Förebyggande och kontrollstrategier för onormal temperaturökning i adsorptionstankar för aktivt kol

För oljedepåer som står inför höga sommartemperaturer i södra regioner, direkt olja/gastillförsel från raffinaderier, förhöjda absorbatortemperaturer och nära-mättad olja/gas processkapacitet, bör åtgärder implementeras för att minska absorbatortemperaturen och temperaturen på olja/gas som kommer in i adsorptionstankar och absorbatorer. Detta syftar till att undertrycka onormal temperaturökning i aktivt kol. Detta tillvägagångssätt fokuserar på mindre modifieringar av den befintliga adsorptionsprocessen för aktivt kol, och utesluter tillfälligt kombinerade processer som kondensation. Specifika ändringar inkluderar: installation av spraysystem, vatten-kylutrustning eller reflekterande/isolerande material på för-adsorptionstankens inloppsledning, vakuumpumpens utlopp/för-inloppsledning för absorptionstornet och för-spraytornets linje från den absorberande lagringstanken. Detta minskar temperaturen på olja och gas som kommer in i adsorptionstanken, vilket minimerar värmeackumulering. Samtidigt förbättrar en sänkning av absorbatortemperaturen absorptionseffektiviteten och förhindrar{10}}högkoncentrerade oljeångor från att åter-träda in i adsorptionstanken för åter-adsorption och värmeavgivning, och kontrollerar därigenom temperaturhöjningen av aktivt kol.

4.2 Val och optimering av adsorptionsmedel

Välj aktivt kol med lämplig porstorleksfördelning och ytkemi baserat på den faktiska oljeångsammansättningen som behandlas. Byt ut eller regenerera aktivt kol regelbundet för att undvika onormala temperaturstegringsrisker orsakade av åldrande. Överväg att använda yt-modifierat eller katalysator-dopat aktivt kol för att förbättra dess motståndskraft mot höga-temperaturer. Fokusera forskning på kombinerade tillämpningar av flera adsorbenter för att kontrollera adsorptionsvärme. Experiment bekräftar till exempel att en bädd av kiselgel-komposit med aktivt kol minskar adsorptionsvärmen med 35 % och förlänger genombrottstiden för C6–C12-kolväten med 20 %. Kiselgel består av stela, amorfa kedjeliknande-och nätverks-strukturerade kiseldioxidpolymerpartiklar. Dess porstorleksfördelning spänner över ett brett område utan enhetlighet, en egenskap som liknar aktivt kol. Denna likhet bestämmer att kiselgel uppvisar prestanda som är jämförbar med aktivt kol i applikationer för organisk gasadsorption. Mogen hydrofob silikagel uppvisar hydrofobicitet, icke-antändlighet och anti-statiska egenskaper. När den används som adsorbent, adsorberar den inte vattenånga som ingår i olje- och gasströmmar och genererar inte värme under adsorptionsprocessen. Specifikt kan ett bottenskikt av silikagel fyllas med ett övre skikt av aktivt kol. Å ena sidan visar kiselgel överlägsen adsorptionsprestanda för olje- och gasströmmar med hög-koncentration, med betydligt lägre värmeavgivning under adsorption jämfört med aktivt kol. Å andra sidan uppvisar aktivt kol bra adsorptionsprestanda för låg-koncentration av olja och gas samtidigt som det genererar minimal värme under adsorptionen. Genom att använda kiselgel i det nedre lagret för att adsorbera hög-koncentration av olja och gas, följt av aktivt kol i det övre lagret för låg-koncentration av olja och gas, utnyttjar adsorptionsegenskaperna hos båda adsorbenterna [1] optimalt och minskar adsorptionsvärmegenereringen ur ett processperspektiv.

4.3 Optimera design av adsorptionstank

Förfining av adsorptionstankdesign är avgörande för att förhindra onormala temperaturstegringar. Viktiga åtgärder inkluderar: att anta modulär design för enklare underhåll och utbyte; förbättra den interna tankstrukturen för att säkerställa enhetlig gasdistribution; förbättra värmeavledningssystem för att öka effektiviteten i termisk borttagning; och strategiskt placera temperaturövervakningspunkter för att uppnå omfattande övervakning av hela bädden för aktivt kol. En segmenterad adsorptionstank design rekommenderas. Detta tillvägagångssätt fördelar adsorptionsvärme över flera steg, vilket minskar den termiska belastningen per tank.

Baserat på operativa erfarenheter av återvinningsenheter för olja och gas för aktivt kol adsorption hos författaren, härrör onormala temperaturökningar i enheter för aktivt kol konsekvent från ökade bearbetningsvolymer. Samtidigt som en utökad tankvolym för att öka användningen av aktivt kol ökar enhetens kapacitet, ökar denna design den termiska belastningen per adsorptionstank, vilket äventyrar stabil drift. Istället rekommenderar vi att öka antalet adsorptionstankar för att öka kapaciteten. Detta tillvägagångssätt minskar den termiska belastningen per tank och möjliggör tankrotation, vilket möjliggör en mer grundlig desorption och främjar en-långsiktig stabil drift.

4.4 Optimera driftparametrar

(1) Optimera inloppsgaskoncentration och temperatur baserat på faktiska driftsförhållanden för att förhindra överhettning orsakad av alltför höga koncentrationer eller temperaturer.

(2) Öka omsättningshastigheten för absorbenten (bensin) för att förhindra långvarig stagnation. Långvarig stagnation leder till ökade andelar lätta komponenter och förhöjda temperaturer i absorbenten, vilket minskar absorptionseffektiviteten. Detta tillåter oabsorberade oljeångor med hög-temperatur och hög-koncentration att åter-träda in i adsorptionstanken, vilket ökar enhetens belastningstryck och orsakar kontinuerlig värmeackumulering.

(3) Rationellt kontrollera desorptionstemperaturen och varaktigheten för att säkerställa fullständig desorption.

(4) Optimera cykelperioder för att balansera adsorptions- och desorptionsprocesser, vilket förhindrar värmeackumulering.

(5) Inrätta omfattande övervaknings- och tidig varningssystem för att snabbt upptäcka och åtgärda avvikelser.

4.5 Utveckling av nya adsorptionsmaterial

Att utveckla nya adsorptionsmaterial representerar en-långsiktig lösning på problem med onormal temperaturökning. Forskning bör fokusera på att utveckla adsorbenter med förbättrad termisk stabilitet och selektivitet, såsom metall-organiska ramverk (MOF) och kovalenta organiska ramverk (COF). Utforska att integrera fasförändringsmaterial (PCM) i adsorptionsbäddar för att utnyttja deras värme-absorberande egenskaper för temperaturkontroll. Utveckla själv-kylande kompositmaterial för att förbättra systemets värmehanteringsförmåga.

Onormal temperaturökning i aktivt kol inom olje- och gasåtervinningsenheter härrör främst från förändringar i kolegenskaper, påverkan av kolvätekomponenter, felaktiga driftsparametrar och utrustningsdesignfel. För att komma till rätta med dessa orsaker bör förebyggande strategier inkludera optimering av val av aktivt kol, förfining av utrustningsdesign, förbättring av driftsparametrar och utveckling av nya adsorbenter. Resultaten av denna studie har betydande konsekvenser för att förbättra säkerheten och effektiviteten hos olje- och gasåtervinningssystem. De kan effektivt minska risken för onormal temperaturhöjning, förlänga utrustningens livslängd och förbättra effektiviteten för olje- och gasutvinning. Framtida forskning bör fokusera på att utveckla och tillämpa nya adsorberande material, samt att etablera intelligenta övervaknings- och tidig varningssystem för att ytterligare förbättra prestandan och tillförlitligheten hos olje- och gasåtervinningssystem.