تجزیه و تحلیل افزایش غیرعادی دما در واحدهای بازیابی بخار جذب کربن فعال و اقدامات پیشگیرانه

با افزایش سخت‌گیری مقررات زیست‌محیطی و افزایش آگاهی عمومی از حفاظت از محیط زیست، اهمیت فناوری بازیابی بخار در صنعت پتروشیمی به طور فزاینده‌ای برجسته شده است. جذب کربن فعال، به عنوان یک فناوری بازیابی بخار کارآمد و مقرون به صرفه، به طور گسترده در زمینه هایی مانند تاسیسات ذخیره سازی نفت استفاده شده است. با این حال، در طول عملیات واقعی، افزایش دمای غیرعادی در مخزن جذب کربن فعال اغلب رخ می دهد، که تهدیدی جدی برای عملکرد ایمن سیستم و کارایی بازیابی است و نیاز به حل فوری دارد. هدف این مطالعه بررسی کامل علل افزایش دمای غیرعادی در سیستم‌های بازیابی بخار جذب کربن فعال و پیشنهاد استراتژی‌های پیشگیری و کنترل موثر برای ارائه منابعی برای طراحی بهینه و عملکرد ایمن سیستم‌های بازیابی بخار است.

جذب کربن فعالدستگاه های بازیابی بخاردر درجه اول از راندمان جذب بالای کربن فعال برای جذب و بازیابی ترکیبات آلی فرار (VOCs) استفاده می شود. با توجه به مزایای فن آوری جذب کربن فعال در دستگاه های بازیابی بخار، مانند راندمان جذب بالا، سازگاری قوی، امکان سنجی اقتصادی و عملکرد پایدار، آنها به طور گسترده در تاسیسات ذخیره سازی روغن نهایی استفاده می شوند و مزایای زیست محیطی و اقتصادی قابل توجهی را به همراه دارند.

1.1 جریان فرآیند

روغن جذب کربن فعالسیستم بازیابی بخاراساساً شامل یک سیستم پیش تصفیه (فیلترها، خنک کننده ها و غیره)، یک سیستم جذب (مخازن جذب، لایه های بستر کربن فعال، سیستم های ورودی و غیره)، یک سیستم دفع (پمپ های خلاء و غیره)، یک سیستم بازیابی (برج های اسکرابر و غیره) و یک سیستم کنترل (PLC، سنسورها، و غیره) است.

1) گاز خروجی وارد سیستم پیش تصفیه می شود، جایی که قبل از ورود به سیستم جذب، فیلتر و خنک می شود.

(2) گاز خروجی وارد سیستم جذب می شود، جایی که VOC ها توسط کربن فعال در بستر جذب جذب می شوند و گاز تصفیه شده منتشر می شود.

(3) گاز خروجی وارد سیستم دفع می شود. هنگامی که کربن فعال به اشباع جذب می رسد، به حالت دفع تغییر می کند تا VOC ها را دفع کند.

(4) گاز خروجی وارد سیستم بازیابی می‌شود، جایی که گاز VOC با غلظت بالا پس از دفع بازیابی می‌شود.

(5) سیستم کنترل سیستم پارامترها را در زمان واقعی در تمام مراحل نظارت و تنظیم می‌کند تا از عملکرد کارآمد و پایدار سیستم اطمینان حاصل کند.

1.2 اصل کار

اصل کار سیستم بازیابی بخار روغن جذب کربن فعال، جذب انتخابی مخلوط بخار نفت با استفاده از کربن فعال، جداسازی VOC از گاز خروجی، و سپس بازیابی -VOCs با غلظت بالا از طریق فرآیند دفع است. این فرآیند عمدتاً شامل مراحل جذب، دفع و بازیابی است.

(1) مرحله جذب

بر اساس ساختار فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد کربن فعال، که جذب و تثبیت ناخالصی‌ها در گازها (مانند ترکیبات آلی و مولکول‌های بو) را امکان‌پذیر می‌سازد، زمانی که گاز خروجی حاوی VOC از بستر کربن فعال پس از فیلتر کردن و سرد شدن عبور می‌کند، کربن فعال به طور موثر مولکول‌های VOC را جذب می‌کند. مکانیسم اصلی جذب کربن فعال را می توان به دو نوع تقسیم کرد: جذب فیزیکی و جذب شیمیایی. جذب فیزیکی از طریق نیروهای واندروالس بین مولکول ها به دست می آید. جذب مولکول ها

(مانند VOC ها، رنگدانه ها و غیره) توسط ساختار متخلخل و سطح ویژه بزرگ کربن فعال جذب می شوند. جذب شیمیایی توسط واکنش های سطحی غالب می شود. مولکول های جذب کننده پیوندهای شیمیایی (مانند پیوندهای کووالانسی، پیوندهای هیدروژنی یا تبادل یونی) با گروه های عاملی روی سطح کربن فعال تشکیل می دهند که معمولاً در جذب مولکول های قطبی (مانند یون های فلزات سنگین یا گازهای اسیدی) مشاهده می شوند. آلاینده‌های اولیه در تأسیسات ذخیره‌سازی نفت، VOCs هستند، که در آن‌ها جذب فیزیکی غالب است، اما جذب شیمیایی را نباید نادیده گرفت، به‌ویژه در شرایط دمایی بالا یا در حضور گروه‌های عملکردی خاص.

(2) مرحله دفع.

پس از رسیدن کربن فعال به اشباع جذب، فرآیند دفع مواد جذب شده از سطح کربن فعال با استفاده از روش های فیزیکی یا شیمیایی، یک مرحله حیاتی برای بازسازی و استفاده مجدد کربن فعال است. روش های رایج عبارتند از دفع حرارتی، دفع فشار و دفع جابجایی. دفع فشار معمولاً در تأسیسات ذخیره سازی نفت استفاده می شود. این شامل کاهش فشار سیستم با استفاده از تجهیزاتی مانند پمپ های خلاء برای کاهش میزان جذب سطحی کربن فعال است. هنگامی که فشار کاهش می یابد، تعادل جذب مختل می شود و مولکول های جذب شده از مواد فعال شده دفع می شوند.

سطح کربن

(3) مرحله بازیابی.

گاز VOC با غلظت بالا پس از دفع وارد سیستم بازیابی می‌شود، جایی که می‌توان آن را با استفاده از روش‌هایی مانند جذب، تراکم، یا جداسازی غشایی برای کاهش آلودگی محیطی و اتلاف منابع بازیابی کرد. جذب فیزیکی معمولاً در تأسیسات ذخیره سازی نهایی روغن استفاده می شود، جایی که گاز VOC با غلظت بالا در تماس جریان مخالف با یک جاذب قرار می گیرد. جداسازی با استفاده از تفاوت در حلالیت VOCها در جاذب (مانند بنزین) حاصل می شود و باعث می شود که VOCs در جاذب حل شود.

2 افزایش غیرعادی دما در کربن فعال و خطرات آن

محدوده دمای عملیاتی معمولی برای کربن فعال معمولاً 40 تا 60 درجه است. در این محدوده دما، کربن فعال ظرفیت جذب بالا و نرخ جذب سریع را حفظ می کند. با این حال، در استفاده واقعی،

دمای بستر کربن فعال ممکن است به طور قابل توجهی از دمای عملیاتی معمولی فراتر رود. بر اساس میزان و سرعت افزایش دما، افزایش غیرعادی دما را می توان به دو نوع افزایش آهسته دما و افزایش سریع دما طبقه بندی کرد. افزایش آهسته دما اغلب به دلیل پیری کربن فعال یا تجمع ناخالصی های ناچیز ایجاد می شود، که معمولاً به عنوان دمای لایه بستر کربن فعال به تدریج با سرعت 1-3 درجه در ساعت افزایش می یابد و به طور بالقوه در عرض چند ساعت یا چند روز به سطوح خطرناک می رسد. افزایش سریع دما اغلب ناشی از غلظت گرمای جذب موضعی یا واکنش‌های گرمازا کنترل نشده (مانند پلیمریزاسیون الفین یا اکسیداسیون ترکیب سولفور) است که با افزایش دمای بیش از 10 درجه در عرض چند دقیقه مشخص می‌شود، همراه با افزایش سریع ادامه دار، که به طور بالقوه در عرض چند دقیقه یا چند ساعت به سطوح خطرناک می‌رسد.

صرف نظر از شکل افزایش غیرعادی دما در کربن فعال، زمانی که دما از یک آستانه خاص فراتر رود، با پدیده های غیرعادی مانند کاهش ظرفیت جذب کربن فعال، نوسانات فشار بستر و انتشار بیش از حد گازهای خروجی همراه است و حتی ممکن است منجر به مسائل ایمنی مانند احتراق خود به خودی شود. خطرات عمدتاً در سه جنبه زیر آشکار می شوند.

(1) کاهش در کارایی عملیاتی.

افزایش دما باعث کاهش ظرفیت جذب کربن فعال می شود. بر اساس تئوری ترمودینامیک جذب، جذب فیزیکی یک فرآیند گرمازا است و ظرفیت جذب با افزایش دما کاهش می یابد. آمار داده های تجربی نشان می دهد که به ازای هر 10 درجه افزایش دمای بستر، ظرفیت جذب کربن فعال برای VOCs مانند بنزن و تولوئن 10٪ تا 17٪ کاهش می یابد که می تواند منجر به کاهش راندمان بازیافت سیستم و حتی فراتر از استانداردهای انتشار شود.

افزایش خطر مجازات های زیست محیطی

(2) آسیب به تجهیزات.

افزایش دما می تواند باعث گرمای بیش از حد موضعی در مخازن جذب شود (مثلاً در درزهای جوش)، که منجر به خوردگی تنش حرارتی، کاهش مقاومت فشار، و ناتوانی در دستیابی به سطوح خلاء در طول دفع، یا حتی تغییر شکل ساختاری و ترک خوردگی مخزن شود. در هنگام دفع، بخارات روغن گرم شده از لایه بستر می تواند به پمپ های خلاء آسیب برساند. دمای بیش از 200 درجه می تواند باعث فروپاشی ساختارهای ریز متخلخل کربن فعال شود و سطح ویژه را تا 40٪ کاهش دهد -

60 درصد و کاهش مقدار ید به 400 میلی گرم در گرم، منجر به غیرفعال شدن کربن فعال می شود.

(3) افزایش خطرات ایمنی.

هنگامی که دمای لایه بستر از نقطه خوداشتعال کربن فعال بیشتر شود، ممکن است باعث شعله های باز شود. اگر غلظت بخار در داخل مخزن به حد انفجار برسد، ممکن است منجر به یک حادثه آتش زدایی نیز شود. شرکت‌های تولید و ذخیره‌سازی مواد شیمیایی خطرناک حوادث معمولی مشابهی را به دلیل افزایش دمای غیرعادی در کربن فعال تجربه کرده‌اند. به عنوان مثال، در سال 2021، یک پالایشگاه به دلیل تنظیم نادرست دمای دفع (تنظیم روی 180 درجه، با ارزش طراحی 120 درجه)، حادثه ای را تجربه کرد که باعث شد دمای بستر کربن فعال در عرض 3 ساعت به 250 درجه برسد و منجر به ترک خوردگی مخزن، نشت VOC از 1.2 تا تلفات مستقیم شود.

5 میلیون یوان در سال 2019، ترکیبات گوگردی روی سطح کربن فعال در تاسیسات ذخیره‌سازی نفت انباشته و اکسید شد و باعث احتراق خود به خود در یک نقطه داغ محلی 310 درجه شد. آتش به مخازن ذخیره سازی مجاور سرایت کرد و اطفای آن 72 ساعت طول کشید.