تحليل الارتفاع غير الطبيعي في درجة الحرارة في وحدات استعادة بخار امتصاص الكربون المنشط والتدابير الوقائية 1

تشير نتائج الأبحاث إلى أن الارتفاع غير الطبيعي في درجة حرارة الكربون المنشط يحدث في المقام الأول من خلال آلية التفاعل المتسلسل، والتي تنقسم إلى المراحل الثلاث التالية:

① تراكم حرارة الامتزاز: تتحد حرارة الامتزاز الفيزيائي مع حرارة التفاعل/الامتصاص الكيميائي، مدفوعة بتركيز عالٍ من -امتصاص النفط/الغاز وأكسدة الكبريتيد؛

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 درجة مئوية لكربون قشرة جوز الهند).

3.1 التغييرات في خصائص الكربون المنشط

تعد التغييرات في خصائص الكربون المنشط عاملاً رئيسياً يساهم في ارتفاع درجة الحرارة بشكل غير طبيعي. على مدى فترات الاستخدام الممتدة، قد يتعرض الكربون المنشط للشيخوخة، والذي يتجلى في انخفاض مساحة السطح المحددة، وتغيير بنية المسام، والتغيرات في كيمياء السطح. يمكن أن تؤدي هذه التعديلات إلى زيادة حرارة الامتزاز، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، قد يمتص الكربون المنشط المواد التي يصعب -امتصاصها- أثناء التشغيل؛ قد يؤدي تراكم هذه المواد إلى تحفيز التفاعلات الطاردة للحرارة، مما يؤدي إلى تفاقم ارتفاع درجات الحرارة. الفشل في استبدال الكربون المنشط المشبع على الفور يمكن أن يقلل من كفاءة الامتزاز، مما يزيد من خطر الارتفاع غير الطبيعي في درجة الحرارة.

3.2 تأثير المكونات الهيدروكربونية

تُظهر المكونات الهيدروكربونية المختلفة محتوى حراريًا متفاوتًا للامتصاص والتفاعل. عند نقطة غليان-عالية معينة-، قد يكون من الصعب امتصاص الهيدروكربونات الجزيئية الكبيرة. تشير الأبحاث إلى أن الهيدروكربونات التي تحتوي على سلاسل كربون أطول من C8 تظهر حواجز طاقة امتزاز مرتفعة بشكل ملحوظ على أسطح الكربون المنشط، مما يؤدي إلى المحتوى الحراري للامتزاز التراكمي. بالإضافة إلى ذلك، قد تخضع الشوائب التفاعلية مثل الكبريتيدات والأوليفينات الموجودة في النفط والغاز لتفاعلات طاردة للحرارة مثل الأكسدة أو البلمرة على سطح الكربون المنشط، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة. يمكن أن يؤدي التأثير المشترك لهذه العوامل إلى ارتفاع غير طبيعي في درجة الحرارة في طبقة الكربون المنشط.

3.3 معلمات التشغيل غير الصحيحة

تشكل إعدادات معلمات التشغيل غير الصحيحة عاملاً مهمًا آخر يؤدي إلى زيادات غير طبيعية في درجة الحرارة. قد يؤدي تركيز الغاز الداخل المرتفع بشكل مفرط إلى إطلاق مركز للحرارة الامتزاز، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعية؛ قد تؤدي سرعة دخول الغاز العالية جدًا إلى تسريع تراكم الحرارة؛ ارتفاع درجة حرارة الغاز الداخل بشكل مفرط يؤدي إلى رفع درجة حرارة السرير بشكل مباشر، مما يزيد من خطر التسخين غير الطبيعي؛ التحكم غير السليم في درجة حرارة الامتزاز ومدته قد

يؤدي إلى وجود مواد متبقية مفرطة ذات درجة غليان عالية-عالية-على سطح الكربون المنشط، مما يؤدي إلى زيادة التفاعلات الطاردة للحرارة أثناء عمليات الامتزاز اللاحقة؛ بالإضافة إلى ذلك، قد تؤدي إعدادات الدورة غير المعقولة إلى تراكم الحرارة، مما يؤدي في النهاية إلى ارتفاع غير طبيعي في درجة الحرارة.

3.4 عيوب تصميم المعدات

قد تؤدي عيوب تصميم المعدات أيضًا إلى ارتفاع غير طبيعي في درجة الحرارة. يمكن أن يؤدي تصميم الهيكل الداخلي غير المناسب لخزانات الامتزاز إلى توزيع غير متساوٍ للغاز، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة الموضعية؛ قد يفشل التصميم غير المناسب لنظام تبديد الحرارة في إزالة حرارة الامتزاز على الفور، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة؛ قد يعكس الوضع غير الصحيح لنقاط مراقبة درجة الحرارة درجة الحرارة الفعلية لطبقة الكربون المنشط بشكل غير دقيق، مما قد يؤدي إلى الفشل في اكتشاف الحالات الشاذة في درجات الحرارة في الوقت المناسب، مما يؤدي إلى تأخير الإجراءات التصحيحية، والتسبب في تراكم الحرارة وارتفاع درجة الحرارة.

4 استراتيجيات الوقاية والسيطرة على ارتفاع درجة الحرارة غير الطبيعي في خزانات امتصاص الكربون المنشط

بالنسبة لمستودعات النفط التي تواجه درجات حرارة مرتفعة في الصيف في المناطق الجنوبية، وإمدادات النفط/الغاز المباشرة من المصافي، ودرجات حرارة الامتصاص المرتفعة، وقدرة معالجة النفط/الغاز القريبة من التشبع-، يجب تنفيذ التدابير لتقليل درجة حرارة الامتصاص ودرجة حرارة النفط/الغاز الذي يدخل إلى صهاريج الامتزاز وأجهزة الامتصاص. ويهدف هذا إلى قمع الارتفاع غير الطبيعي في درجة الحرارة في الكربون المنشط. يركز هذا النهج على تعديلات طفيفة على عملية امتصاص الكربون المنشط الحالية، مع استبعاد العمليات المشتركة مثل التكثيف مؤقتًا. تتضمن التعديلات المحددة: تركيب أنظمة الرش، ومعدات تبريد الماء-، أو المواد العاكسة/العازلة على خط مدخل خزان الامتصاص المسبق-، ومخرج مضخة التفريغ/خط مدخل برج الامتصاص -، وخط برج الرش المسبق- من خزان تخزين المادة الماصة. يؤدي هذا إلى تقليل درجة حرارة الزيت والغاز الداخلين إلى خزان الامتزاز، مما يقلل من تراكم الحرارة. وفي الوقت نفسه، يؤدي خفض درجة حرارة جهاز الامتصاص إلى تحسين كفاءة الامتصاص ومنع-أبخرة الزيت عالية التركيز من الدخول مرة أخرى إلى -خزان الامتزاز لإعادة-الامتزاز وإطلاق الحرارة، وبالتالي التحكم في ارتفاع درجة حرارة الكربون المنشط.

4.2 اختيار عامل الامتزاز وتحسينه

حدد الكربون المنشط مع التوزيع المناسب لحجم المسام وكيمياء السطح بناءً على تركيبة بخار الزيت الفعلية التي تتم معالجتها. استبدل الكربون المنشط أو قم بتجديده بانتظام لتجنب مخاطر الارتفاع غير الطبيعي في درجة الحرارة الناتجة عن الشيخوخة. فكر في استخدام الكربون المنشط السطحي-المعدل أو المحفز-لتحسين مقاومته لدرجات الحرارة العالية-. تركيز البحث على التطبيقات المشتركة لمواد ماصة متعددة للتحكم في حرارة الامتزاز. على سبيل المثال، تؤكد التجارب أن طبقة الكربون المنشط-من هلام السيليكا تقلل حرارة الامتصاص بنسبة 35% وتطيل وقت اختراق الهيدروكربونات C6-C12 بنسبة 20%. يتكون هلام السيليكا من سلسلة صلبة غير متبلورة-متشابهة وشبكة-جزيئات بوليمر سيليكا منظمة. يمتد توزيع حجم المسام على نطاق واسع دون تجانس، وهي خاصية مشابهة للكربون المنشط. يحدد هذا التشابه أن هلام السيليكا يُظهر أداءً مشابهًا للكربون المنشط في تطبيقات امتصاص الغاز العضوي. يُظهر جل السيليكا الناضج الكاره للماء خصائص كارهة للماء وغير - للاشتعال ومضادة للكهرباء الساكنة. عند استخدامه كمادة ماصة، فإنه لا يمتص بخار الماء الموجود في تيارات النفط والغاز ولا يولد حرارة أثناء عملية الامتزاز. على وجه التحديد، يمكن ملء الطبقة السفلية من هلام السيليكا بطبقة عليا من الكربون المنشط. من ناحية، يُظهر هلام السيليكا أداء امتصاص فائقًا لتيارات النفط والغاز عالية التركيز-، مع إطلاق حرارة أقل بشكل ملحوظ أثناء الامتزاز مقارنة بالكربون المنشط. ومن ناحية أخرى، يُظهر الكربون المنشط أداء امتصاصًا جيدًا للزيت والغاز بتركيز منخفض-مع توليد الحد الأدنى من الحرارة أثناء الامتزاز. يؤدي استخدام هلام السيليكا في الطبقة السفلية لامتصاص الزيت والغاز بتركيز عالي-، متبوعًا بالكربون المنشط في الطبقة العليا لامتصاص الزيت والغاز بتركيز منخفض-، إلى زيادة خصائص الامتزاز لكلا المادتين [1] على النحو الأمثل وتقليل توليد حرارة الامتزاز من منظور العملية.

4.3 تحسين تصميم خزان الامتزاز

يعد تصميم خزان الامتزاز أمرًا بالغ الأهمية لمنع الارتفاع غير الطبيعي في درجات الحرارة. وتشمل التدابير الرئيسية ما يلي: اعتماد تصميم معياري لتسهيل الصيانة والاستبدال؛ تحسين هيكل الخزان الداخلي لضمان التوزيع الموحد للغاز؛ وتعزيز أنظمة تبديد الحرارة لتعزيز كفاءة إزالة الحرارة؛ ووضع نقاط مراقبة درجة الحرارة بشكل استراتيجي لتحقيق مراقبة شاملة لطبقة الكربون المنشط بالكامل. يوصى بتصميم خزان الامتزاز المجزأ. يقوم هذا الأسلوب بتوزيع حرارة الامتزاز عبر مراحل متعددة، مما يقلل الحمل الحراري لكل خزان.

استنادًا إلى الخبرة التشغيلية في وحدات استرداد النفط والغاز لامتصاص الكربون المنشط في شركة المؤلف، فإن الزيادات غير الطبيعية في درجات الحرارة في وحدات الكربون المنشط تنبع باستمرار من زيادة أحجام المعالجة. في حين أن توسيع حجم الخزان لزيادة استخدام الكربون المنشط يعزز سعة الوحدة، فإن هذا التصميم يزيد من الحمل الحراري لكل خزان امتزاز، مما يضر بالتشغيل المستقر. وبدلاً من ذلك، نوصي بزيادة عدد خزانات الامتزاز لتعزيز القدرة. يعمل هذا الأسلوب على تقليل الحمل الحراري لكل خزان ويتيح دوران الخزان، مما يسمح بامتصاص أكثر شمولاً وتعزيز التشغيل المستقر على المدى الطويل-.

4.4 تحسين معلمات التشغيل

(1) تحسين تركيز الغاز الداخل ودرجة الحرارة بناءً على ظروف التشغيل الفعلية لمنع ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن التركيزات أو درجات الحرارة المرتفعة بشكل مفرط.

(2) زيادة معدل دوران المادة الماصة (البنزين) لمنع الركود لفترة طويلة. يؤدي الركود المطول إلى زيادة نسب المكونات الخفيفة وارتفاع درجات الحرارة داخل المادة الماصة، مما يقلل من كفاءة الامتصاص. يسمح ذلك لأبخرة الزيت ذات درجة الحرارة المرتفعة-والتركيز العالي-غير الممتصة بالدخول مرة أخرى إلى-خزان الامتزاز، مما يزيد من ضغط حمل الوحدة ويسبب تراكمًا مستمرًا للحرارة.

(3) التحكم بعقلانية في درجة حرارة الامتزاز ومدته لضمان الامتزاز الكامل.

(4) تحسين فترات الدورة لتحقيق التوازن بين عمليات الامتزاز والامتزاز، ومنع تراكم الحرارة.

(5) إنشاء أنظمة شاملة للرصد والإنذار المبكر للكشف عن الحالات الشاذة ومعالجتها على الفور.

4.5 تطوير مواد امتصاص جديدة

يمثل تطوير مواد امتصاص جديدة حلاً طويل الأمد-لمشاكل الارتفاع غير الطبيعي في درجات الحرارة. يجب أن يركز البحث على تطوير المواد الممتزة ذات الثبات الحراري والانتقائية المحسنة، مثل الأطر العضوية المعدنية (MOFs) والأطر العضوية التساهمية (COFs). استكشف دمج المواد المتغيرة الطور (PCMs) في طبقات الامتزاز للاستفادة من خصائص امتصاص الحرارة-للتحكم في درجة الحرارة. تطوير مواد مركبة للتبريد الذاتي لتحسين قدرات الإدارة الحرارية للنظام.

ينبع الارتفاع غير الطبيعي في درجة حرارة الكربون المنشط داخل وحدات استعادة النفط والغاز في المقام الأول من التغيرات في خصائص الكربون، وتأثير المكونات الهيدروكربونية، ومعايير التشغيل غير السليمة، وعيوب تصميم المعدات. ولمعالجة هذه الأسباب، ينبغي أن تشمل الاستراتيجيات الوقائية تحسين اختيار الكربون المنشط، وصقل تصميم المعدات، وتحسين معلمات التشغيل، وتطوير مواد ماصة جديدة. تحمل نتائج هذه الدراسة آثارًا مهمة على تعزيز سلامة وكفاءة أنظمة استخلاص النفط والغاز. يمكنها التخفيف بشكل فعال من مخاطر الارتفاع غير الطبيعي في درجة الحرارة، وإطالة عمر خدمة المعدات، وتحسين كفاءة استخلاص النفط والغاز. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تطوير وتطبيق مواد ماصة جديدة، بالإضافة إلى إنشاء أنظمة مراقبة ذكية وإنذار مبكر لتعزيز أداء وموثوقية أنظمة استعادة النفط والغاز.