Анализ аномального повышения температуры в установках адсорбционной улавливания паров активированного угля и профилактические меры 1

Результаты исследований показывают, что аномальное повышение температуры в активированном угле в первую очередь происходит по механизму цепной реакции, разделенной на следующие три стадии:

① Накопление тепла адсорбции: тепло физической адсорбции сочетается с теплотой химической адсорбции/реакции, что обусловлено адсорбцией нефти/газа с высокой-концентрацией и окислением сульфидов;

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 для углерода из скорлупы кокосового ореха).

3.1 Изменение свойств активированного угля

Изменения свойств активированного угля являются ключевым фактором, способствующим аномальному повышению температуры. При длительном использовании активированный уголь может подвергаться старению, что проявляется в уменьшении удельной площади поверхности, изменении структуры пор и изменении химического состава поверхности. Эти изменения могут увеличить теплоту адсорбции, вызывая повышение температуры. Кроме того, активированный уголь может адсорбировать вещества, которые трудно -десорбировать-во время работы; накопление таких веществ может катализировать экзотермические реакции, что еще больше усугубляет повышение температуры. Несвоевременная замена насыщенного активированного угля может снизить эффективность адсорбции, повышая риск аномального повышения температуры.

3.2 Влияние углеводородных компонентов

Различные углеводородные компоненты обладают различной энтальпией адсорбции и реакционной способностью. Некоторые макромолекулярные углеводороды с высокой-точкой кипения-может быть трудно десорбировать. Исследования показывают, что углеводороды с углеродными цепями длиннее C8 демонстрируют значительно повышенные энергетические барьеры десорбции на поверхностях активированного угля, что приводит к кумулятивной энтальпии адсорбции. Кроме того, химически активные примеси, такие как сульфиды и олефины, присутствующие в нефти и газе, могут подвергаться экзотермическим реакциям, таким как окисление или полимеризация на поверхности активированного угля, вызывая повышение температуры. Совместное воздействие этих факторов может привести к аномальному повышению температуры в слое активированного угля.

3.3 Неправильные рабочие параметры

Неправильные настройки рабочих параметров являются еще одним существенным фактором, вызывающим аномальное повышение температуры. Чрезмерно высокая концентрация газа на входе может привести к концентрированному выделению адсорбционного тепла, вызывая локальный перегрев; слишком высокая скорость газа на входе может ускорить накопление тепла; чрезмерно высокая температура газа на входе напрямую повышает температуру слоя, увеличивая риск аномального нагрева; неправильный контроль температуры и продолжительности десорбции может

приводят к образованию избыточных остаточных веществ-с высокой температурой кипения-на поверхности активированного угля, что усиливает экзотермические реакции во время последующих процессов адсорбции; кроме того, необоснованные настройки цикла могут привести к накоплению тепла, что в конечном итоге приведет к аномальному повышению температуры.

3.4 Дефекты конструкции оборудования

Недостатки конструкции оборудования также могут стать причиной аномального повышения температуры. Неправильная конструкция внутренней конструкции адсорбционных резервуаров может привести к неравномерному распределению газа, вызывающему локальный перегрев; неправильная конструкция системы отвода тепла может не обеспечить быстрый отвод адсорбционного тепла, что приведет к повышению температуры; неправильное размещение точек контроля температуры может неточно отражать фактическую температуру слоя активированного угля, что может привести к невозможности своевременного обнаружения температурных аномалий, задержке корректирующих действий, а также к накоплению тепла и повышению температуры.

4 стратегии предотвращения и контроля аномального повышения температуры в адсорбционных резервуарах с активированным углем

На нефтебазах с высокими летними температурами в южных регионах, прямыми поставками нефти/газа с нефтеперерабатывающих заводов, повышенными температурами абсорбера и почти -насыщенными мощностями по переработке нефти/газа следует принять меры по снижению температуры абсорбера и температуры нефти/газа, поступающих в адсорбционные резервуары и абсорберы. Это направлено на подавление аномального повышения температуры активированного угля. Этот подход фокусируется на незначительных модификациях существующего процесса адсорбции активированным углем, временно исключая комбинированные процессы, такие как конденсация. Конкретные модификации включают в себя: установку систем распыления, оборудования для водяного-охлаждения или отражающих/изоляционных материалов на впускной линии резервуара предварительной-адсорбции, выпускной линии вакуумного насоса/входной линии колонны предварительной-абсорбции и линии башни предварительного-распыления от резервуара для хранения абсорбента. Это снижает температуру нефти и газа, поступающих в адсорбционный резервуар, сводя к минимуму накопление тепла. Одновременно снижение температуры абсорбера повышает эффективность абсорбции и предотвращает-повторное попадание паров масла с высокой концентрацией-в адсорбционный резервуар для повторной-адсорбции и выделения тепла, тем самым контролируя повышение температуры активированного угля.

4.2 Выбор и оптимизация адсорбционного агента

Выберите активированный уголь с соответствующим распределением размеров пор и химией поверхности, исходя из фактического состава паров обрабатываемого масла. Регулярно заменяйте или регенерируйте активированный уголь, чтобы избежать риска аномального повышения температуры, вызванного старением. Рассмотрите возможность использования активированного угля, -модифицированного или активированного катализатором-, чтобы повысить его устойчивость к высоким-температурам. Сосредоточьте исследования на комбинированном применении нескольких адсорбентов для контроля теплоты адсорбции. Например, эксперименты подтверждают, что композитный слой из силикагеля-активированного угля снижает теплоту адсорбции на 35 % и увеличивает время прорыва углеводородов C6–C12 на 20 %. Силикагель состоит из жестких аморфных частиц кремнеземного полимера с цепочечной-сетчатой-структурой. Его распределение размеров пор охватывает широкий диапазон без однородности, что аналогично активированному углю. Это сходство определяет, что силикагель демонстрирует эффективность, сравнимую с активированным углем, при адсорбции органических газов. Зрелый гидрофобный силикагель проявляет гидрофобность, негорючесть и анти-статические свойства. При использовании в качестве адсорбента он не адсорбирует пары воды, увлекаемые потоками нефти и газа, и не выделяет тепла в процессе адсорбции. В частности, нижний слой силикагеля может быть заполнен верхним слоем активированного угля. С одной стороны, силикагель демонстрирует превосходные характеристики адсорбции для потоков нефти и газа с высокой-концентрацией, со значительно меньшим выделением тепла во время адсорбции по сравнению с активированным углем. С другой стороны, активированный уголь демонстрирует хорошие характеристики адсорбции для нефти и газа с низкой-концентрацией, выделяя при этом минимальное количество тепла во время адсорбции. Использование силикагеля в нижнем слое для адсорбции нефти и газа с высокой-концентрацией, а затем активированного угля в верхнем слое для нефти и газа с низкой-концентрацией, оптимально использует адсорбционные свойства обоих адсорбентов [1] и снижает выделение тепла при адсорбции с точки зрения процесса.

4.3 Оптимизация конструкции адсорбционного резервуара

Конструкция очистительного адсорбционного резервуара имеет решающее значение для предотвращения аномального повышения температуры. Ключевые меры включают: принятие модульной конструкции для упрощения обслуживания и замены; улучшение внутренней конструкции резервуара для обеспечения равномерного газораспределения; усовершенствование систем отвода тепла для повышения эффективности теплоотвода; и стратегическое размещение точек контроля температуры для обеспечения комплексного мониторинга всего слоя активированного угля. Рекомендуется использовать сегментную конструкцию адсорбционного резервуара. Этот подход распределяет тепло адсорбции по нескольким ступеням, снижая тепловую нагрузку на резервуар.

Исходя из опыта эксплуатации установок адсорбции нефти и газа с активированным углем на предприятии автора, аномальное повышение температуры на установках с активированным углем постоянно связано с увеличением объемов переработки. Увеличение объема резервуара для увеличения использования активированного угля увеличивает производительность установки. Такая конструкция увеличивает тепловую нагрузку на адсорбционный резервуар, что ставит под угрозу стабильную работу. Вместо этого мы рекомендуем увеличить количество адсорбционных резервуаров для увеличения производительности. Такой подход снижает тепловую нагрузку на резервуар и позволяет вращать резервуар, обеспечивая более тщательную десорбцию и обеспечивая долгосрочную-стабильную работу.

4.4 Оптимизация рабочих параметров

(1) Оптимизируйте концентрацию и температуру газа на входе в зависимости от реальных условий эксплуатации, чтобы предотвратить перегрев, вызванный чрезмерно высокими концентрациями или температурами.

(2) Увеличьте скорость оборота абсорбента (бензина), чтобы предотвратить длительный застой. Длительный застой приводит к увеличению содержания легких компонентов и повышению температуры внутри абсорбента, что снижает эффективность поглощения. Это позволяет неабсорбированным парам масла с высокой-температурой и-концентрацией повторно-попадать в адсорбционный резервуар, увеличивая давление нагрузки агрегата и вызывая постоянное накопление тепла.

(3) Рационально контролируйте температуру и продолжительность десорбции, чтобы обеспечить полную десорбцию.

(4) Оптимизируйте периоды цикла, чтобы сбалансировать процессы адсорбции и десорбции, предотвращая накопление тепла.

(5) Создать комплексные системы мониторинга и раннего предупреждения для оперативного обнаружения и устранения аномалий.

4.5 Разработка новых адсорбционных материалов

Разработка новых адсорбционных материалов представляет собой долгосрочное-решение проблемы аномального повышения температуры. Исследования должны быть сосредоточены на разработке адсорбентов с повышенной термической стабильностью и селективностью, таких как металл-органические каркасы (MOF) и ковалентные органические каркасы (COF). Изучите возможность интеграции материалов с фазовым переходом (PCM) в адсорбционные слои, чтобы использовать их теплопоглощающие-свойства для контроля температуры. Разработайте самоохлаждающиеся композитные материалы, чтобы улучшить возможности системы по управлению температурой.

Аномальное повышение температуры активированного угля на установках добычи нефти и газа в первую очередь связано с изменением свойств углерода, влиянием углеводородных компонентов, неправильными режимами работы и недостатками конструкции оборудования. Для устранения этих причин профилактические стратегии должны включать оптимизацию выбора активированного угля, усовершенствование конструкции оборудования, улучшение рабочих параметров и разработку новых адсорбентов. Результаты этого исследования имеют важное значение для повышения безопасности и эффективности систем добычи нефти и газа. Они могут эффективно снизить риск аномального повышения температуры, продлить срок службы оборудования и повысить эффективность добычи нефти и газа. Будущие исследования должны быть сосредоточены на разработке и применении новых адсорбирующих материалов, а также на создании интеллектуальных систем мониторинга и раннего предупреждения для дальнейшего повышения производительности и надежности систем добычи нефти и газа.