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

مع تزايد صرامة اللوائح البيئية وتزايد الوعي العام بحماية البيئة، أصبحت أهمية تكنولوجيا استعادة البخار في صناعة البتروكيماويات بارزة بشكل متزايد. تم تطبيق امتصاص الكربون المنشط، باعتباره تقنية فعالة واقتصادية لاستعادة البخار، على نطاق واسع في مجالات مثل مرافق تخزين النفط. ومع ذلك، أثناء التشغيل الفعلي، يحدث ارتفاع غير طبيعي في درجة الحرارة في خزان امتصاص الكربون المنشط بشكل متكرر، مما يشكل تهديدًا خطيرًا للتشغيل الآمن للنظام وكفاءة الاسترداد، مما يستلزم حلًا عاجلاً. تهدف هذه الدراسة إلى إجراء تحقيق شامل في أسباب الارتفاع غير الطبيعي في درجة الحرارة في أنظمة استعادة بخار امتصاص الكربون المنشط واقتراح استراتيجيات فعالة للوقاية والسيطرة لتوفير مراجع للتصميم الأمثل والتشغيل الآمن لأنظمة استعادة البخار.

امتصاص الكربون المنشطأجهزة استعادة البخارتستخدم في المقام الأول كفاءة الامتصاص العالية للكربون المنشط لامتصاص واستعادة المركبات العضوية المتطايرة (VOCs). نظرًا لمزايا تكنولوجيا امتصاص الكربون المنشط في أجهزة استعادة البخار، مثل كفاءة الامتزاز العالية، والقدرة على التكيف القوية، والجدوى الاقتصادية، والتشغيل المستقر، يتم تطبيقها على نطاق واسع في مرافق تخزين النفط الجاهزة، مما يحقق فوائد بيئية واقتصادية كبيرة.

1.1 تدفق العملية

زيت امتصاص الكربون المنشطنظام استعادة البخاريتكون في المقام الأول من نظام المعالجة المسبقة (المرشحات والمبردات، وما إلى ذلك)، ونظام الامتزاز (خزانات الامتزاز، وطبقات طبقة الكربون المنشط، وأنظمة المدخل، وما إلى ذلك)، ونظام الامتزاز (مضخات الفراغ، وما إلى ذلك)، ونظام الاسترداد (أبراج الغسيل، وما إلى ذلك)، ونظام التحكم (PLC، وأجهزة الاستشعار، والأدوات، وما إلى ذلك).

1) يدخل غاز العادم إلى نظام المعالجة المسبقة، حيث يتم تصفيته وتبريده قبل دخوله إلى نظام الامتزاز.

(2) يدخل غاز العادم إلى نظام الامتزاز، حيث يتم امتصاص المركبات العضوية المتطايرة بواسطة الكربون المنشط في طبقة الامتزاز، وينبعث الغاز المنقى.

(3) يدخل غاز العادم إلى نظام الامتزاز. عندما يصل الكربون المنشط إلى تشبع الامتزاز، فإنه يتحول إلى وضع الامتزاز لامتصاص المركبات العضوية المتطايرة.

(4) يدخل غاز العادم إلى نظام الاسترداد، حيث يتم استرداد-غاز المركبات العضوية المتطايرة عالي التركيز بعد الامتزاز.

(5) يقوم نظام التحكم في النظام بمراقبة المعلمات وضبطها في الوقت الفعلي-عبر جميع المراحل لضمان التشغيل الفعال والمستقر للنظام.

1.2 مبدأ العمل

يتمثل مبدأ العمل الأساسي لنظام استعادة بخار الزيت لامتصاص الكربون المنشط في امتصاص مخاليط بخار الزيت بشكل انتقائي باستخدام الكربون المنشط، وفصل المركبات العضوية المتطايرة عن غاز العادم، ثم استعادة -المركبات العضوية المتطايرة عالية التركيز من خلال عملية الامتزاز. تتكون العملية في المقام الأول من مراحل الامتزاز، والامتزاز، والاسترداد.

(1) مرحلة الامتزاز.

استنادًا إلى البنية الفيزيائية والكيميائية الفريدة للكربون المنشط، والتي تمكن من التقاط وتثبيت الشوائب في الغازات (مثل المركبات العضوية وجزيئات الرائحة)، عندما يمر غاز العادم الذي يحتوي على مركبات عضوية متطايرة عبر طبقة الكربون المنشط بعد الترشيح والتبريد، يمتص الكربون المنشط جزيئات المركبات العضوية المتطايرة بشكل فعال، ويتم تفريغ الغاز المنقى وفقًا للمعايير. يمكن تقسيم الآلية الأساسية لامتصاص الكربون المنشط إلى نوعين: الامتزاز الفيزيائي والامتزاز الكيميائي. يتم تحقيق الامتزاز الفيزيائي من خلال قوى فان دير فالس بين الجزيئات. كثف الجزيئات

(مثل المركبات العضوية المتطايرة، والأصباغ، وما إلى ذلك) يتم التقاطها بواسطة البنية المسامية والمساحة السطحية الكبيرة المحددة للكربون المنشط. تهيمن التفاعلات السطحية على الامتزاز الكيميائي. تشكل الجزيئات الممتزة روابط كيميائية (مثل الروابط التساهمية، أو الروابط الهيدروجينية، أو التبادل الأيوني) مع مجموعات وظيفية على سطح الكربون المنشط، والتي يتم ملاحظتها بشكل شائع في امتزاز الجزيئات القطبية (مثل أيونات المعادن الثقيلة أو الغازات الحمضية). الملوثات الأساسية في مرافق تخزين النفط هي المركبات العضوية المتطايرة، حيث يهيمن الامتزاز المادي، ولكن لا ينبغي إغفال الامتزاز الكيميائي، خاصة في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة- أو في وجود مجموعات وظيفية محددة.

(2) مرحلة الامتزاز.

بعد أن يصل الكربون المنشط إلى تشبع الامتزاز، تعد عملية امتصاص المواد الممتزة من سطح الكربون المنشط باستخدام الطرق الفيزيائية أو الكيميائية خطوة حاسمة لتجديد الكربون المنشط وإعادة استخدامه. وتشمل الطرق الشائعة الامتزاز الحراري، وامتزاز الضغط، وامتزاز الإزاحة. يستخدم الامتزاز بالضغط بشكل شائع في مرافق تخزين النفط. يتضمن ذلك تقليل ضغط النظام باستخدام معدات مثل مضخات التفريغ لتقليل كمية المادة الممتزة على سطح الكربون المنشط. بمجرد انخفاض الضغط، يتعطل توازن الامتصاص، وتمتص الجزيئات الممتزة من المادة المنشط

سطح الكربون.

(3) مرحلة التعافي.

يدخل غاز المركبات العضوية المتطايرة عالي التركيز-بعد الامتزاز إلى نظام الاسترداد، حيث يمكن استعادته باستخدام طرق مثل الامتصاص أو التكثيف أو الفصل الغشائي لتقليل التلوث البيئي وإهدار الموارد. يُستخدم الامتصاص الفيزيائي بشكل شائع في منشآت تخزين النفط الجاهزة، حيث يتلامس غاز المركبات العضوية المتطايرة عالي التركيز مع تيار معاكس مع مادة ماصة. يتم تحقيق الفصل من خلال الاستفادة من الفرق في قابلية ذوبان المركبات العضوية المتطايرة في المادة الماصة (مثل البنزين)، مما يتسبب في ذوبان المركبات العضوية المتطايرة في المادة الماصة.

2 ارتفاع غير طبيعي في درجة حرارة الكربون المنشط ومخاطره

نطاق درجة حرارة التشغيل العادي للكربون المنشط عادة ما يكون 40-60 درجة. ضمن نطاق درجة الحرارة هذا، يحافظ الكربون المنشط على قدرة امتصاص عالية ومعدلات امتصاص سريعة. لكن في الاستخدام الفعلي،

قد تتجاوز درجة حرارة طبقة الكربون المنشط درجة حرارة التشغيل العادية بشكل كبير. بناءً على مدى ومعدل ارتفاع درجة الحرارة، يمكن تصنيف الارتفاع غير الطبيعي في درجة الحرارة إلى نوعين: ارتفاع درجة الحرارة البطيء وارتفاع درجة الحرارة السريع. غالبًا ما يحدث الارتفاع البطيء في درجة الحرارة بسبب شيخوخة الكربون المنشط أو تراكم الشوائب النزرة، والذي يظهر عادةً كدرجة حرارة طبقة طبقة الكربون المنشط التي تزيد تدريجيًا بمعدل 1-3 درجات / ساعة، ومن المحتمل أن تصل إلى مستويات خطيرة في غضون ساعات أو أيام؛ غالبًا ما يحدث الارتفاع السريع في درجة الحرارة بسبب تركيز الحرارة بالامتزاز الموضعي أو التفاعلات الطاردة للحرارة غير المنضبطة (مثل بلمرة الأوليفين أو أكسدة مركب الكبريت)، والتي تتميز بزيادة في درجة الحرارة تزيد عن 10 درجات خلال دقائق، مع استمرار الارتفاع السريع، ومن المحتمل أن تصل إلى مستويات خطيرة خلال دقائق أو ساعات.

بغض النظر عن شكل الارتفاع غير الطبيعي في درجة حرارة الكربون المنشط، عندما تتجاوز درجة الحرارة عتبة معينة، يكون مصحوبًا بظواهر غير طبيعية مثل انخفاض قدرة امتصاص الكربون المنشط، وتقلبات في ضغط القاعدة، وانبعاثات غازات العادم المفرطة، وقد يؤدي حتى إلى مشكلات تتعلق بالسلامة مثل الاحتراق التلقائي. وتتجلى المخاطر في المقام الأول في الجوانب الثلاثة التالية.

(1) انخفاض الكفاءة التشغيلية.

تؤدي زيادة درجات الحرارة إلى تقليل قدرة امتصاص الكربون المنشط. وفقا لنظرية الديناميكا الحرارية للامتزاز، فإن الامتزاز الفيزيائي هو عملية طاردة للحرارة، وتتناقص قدرة الامتزاز مع زيادة درجة الحرارة. تظهر إحصائيات البيانات التجريبية أنه مقابل كل 10 درجات زيادة في درجة حرارة السرير، تنخفض قدرة امتصاص الكربون المنشط للمركبات العضوية المتطايرة مثل البنزين والتولوين بنسبة 10% إلى 17%، مما قد يؤدي إلى انخفاض كفاءة استرداد النظام وحتى تجاوز معايير الانبعاثات،

زيادة مخاطر العقوبات البيئية.

(2) تلف المعدات.

يمكن أن تؤدي الزيادات في درجات الحرارة إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعية في صهاريج الامتزاز (على سبيل المثال، عند طبقات اللحام)، مما يؤدي إلى تآكل الإجهاد الحراري، وانخفاض مقاومة الضغط، وعدم القدرة على تحقيق مستويات الفراغ أثناء الامتزاز، أو حتى التشوه الهيكلي وتشقق الخزان؛ أثناء الامتزاز، يمكن لأبخرة الزيت الساخنة من طبقة السرير أن تلحق الضرر بمضخات التفريغ؛ درجات الحرارة التي تتجاوز 200 درجة يمكن أن تسبب انهيار الهياكل الكربونية الدقيقة التي يسهل اختراقها، مما يقلل مساحة السطح المحددة بنسبة 40%-

60% وانخفاض قيمة اليود إلى 400 ملجم/جم مما يؤدي إلى إبطال مفعول الكربون المنشط.

(3) زيادة مخاطر السلامة.

عندما تتجاوز درجة حرارة طبقة السرير نقطة الاشتعال الذاتي للكربون المنشط، فقد يتسبب ذلك في حدوث لهب مفتوح. إذا وصل تركيز البخار داخل الخزان إلى حد الانفجار، فقد يؤدي ذلك أيضًا إلى حادث حريق. وقد شهدت شركات إنتاج وتخزين المواد الكيميائية الخطرة حوادث نموذجية مماثلة بسبب الزيادات غير الطبيعية في درجات الحرارة في الكربون المنشط. على سبيل المثال، في عام 2021، تعرضت إحدى المصفاة لحادث بسبب ضبط درجة حرارة الامتزاز بشكل غير صحيح (تم ضبطها على 180 درجة، مع قيمة تصميمية تبلغ 120 درجة)، مما تسبب في ارتفاع درجة حرارة طبقة الكربون المنشط إلى 250 درجة خلال 3 ساعات، مما أدى إلى تشقق الخزانات، وتسرب المركبات العضوية المتطايرة بمقدار 1.2 طن، وخسائر اقتصادية مباشرة تتجاوز

5 مليون يوان. في عام 2019، تراكمت مركبات الكبريت وتأكسدت على سطح الكربون المنشط في منشأة لتخزين النفط، مما أدى إلى احتراق تلقائي عند نقطة ساخنة محلية تبلغ 310 درجة. وامتد الحريق إلى صهاريج التخزين المجاورة واستغرق إخماده 72 ساعة.