ניתוח של עליית טמפרטורה חריגה ביחידות לשחזור אדים של ספיחת פחמן פעיל ואמצעי מניעה 1

ממצאי מחקר מצביעים על כך שעליית טמפרטורה חריגה בפחם הפעיל מתפתחת בעיקר באמצעות מנגנון תגובת שרשרת, המחולקת לשלושת השלבים הבאים:

① הצטברות חום ספיחה: חום ספיחה פיזי משתלב עם חום ספיחה/תגובה כימי, המונע על ידי ספיחה של שמן/גז בריכוז- גבוה וחמצון גופרתי;

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 מעלות צלזיוס עבור פחמן קליפת קוקוס).

3.1 שינויים במאפייני פחמן פעיל

שינויים בתכונות הפחם הפעיל הם גורם מפתח התורם לעליית טמפרטורה חריגה. במהלך תקופות שימוש ממושכות, פחמן פעיל עשוי לעבור הזדקנות, המתבטא בהפחתת שטח פנים ספציפי, שינוי במבנה הנקבוביות ושינויים בכימיה של פני השטח. שינויים אלה יכולים להגביר את חום הספיחה, ולעורר עליית טמפרטורה. בנוסף, פחם פעיל עלול לספוח חומרים שקשה-לספוג- במהלך הפעולה; הצטברות של חומרים כאלה עלולה לזרז תגובות אקסותרמיות, ולהחמיר עוד יותר את עליית הטמפרטורה. אי החלפת פחם פעיל רווי באופן מיידי יכול להפחית את יעילות הספיחה, ולהגביר את הסיכון לעלייה חריגה בטמפרטורה.

3.2 השפעת רכיבי פחמימנים

רכיבי פחמימנים שונים מציגים אנטלפיות ותגובתיות ספיחה משתנות. ייתכן שקשה לספוג פחמימנים מקרו-מולקולריים מסוימים בנקודת-רתיחה- גבוהה. מחקרים מצביעים על כך שפחמימנים עם שרשראות פחמן ארוכות מ-C8 מציגים מחסומי אנרגיית ספיחה מוגברים באופן משמעותי על משטחי פחמן פעיל, מה שמוביל לאנתלפיה מצטברת של ספיחה. בנוסף, זיהומים תגובתיים כמו סולפידים ואולפינים הנמצאים בנפט ובגז עלולים לעבור תגובות אקסותרמיות כגון חמצון או פילמור על פני הפחמן הפעיל, מה שגורם לעליית טמפרטורה. ההשפעה המשולבת של גורמים אלה יכולה להוביל לעליות טמפרטורה חריגות במצע הפחם הפעיל.

3.3 פרמטרי הפעלה לא תקינים

הגדרות שגויות של פרמטרי הפעלה מהוות גורם משמעותי נוסף המפעיל עליות טמפרטורה חריגות. ריכוז גבוה מדי של גז כניסה עלול לגרום לשחרור מרוכז של חום ספיחה, ולגרום להתחממות יתר מקומית; מהירות גז כניסה גבוהה מדי עלולה להאיץ את הצטברות החום; טמפרטורת גז כניסה גבוהה מדי מעלה ישירות את טמפרטורת המיטה, מה שמגביר את הסיכון לחימום חריג; שליטה לא נכונה של טמפרטורת ומשך הספיחה עלולה

לגרום לשאריות יתר של חומרים בנקודת -רתיחה- גבוהה על פני הפחמן הפעיל, מה שמגביר תגובות אקסותרמיות במהלך תהליכי הספיחה הבאים; בנוסף, הגדרות מחזור בלתי סבירות עלולות להוביל להצטברות חום, ובסופו של דבר לעורר עליית טמפרטורה חריגה.

3.4 ליקויים בתכנון ציוד

פגמים בתכנון הציוד עלולים גם לגרום לעליית טמפרטורה חריגה. תכנון מבנה פנימי לא תקין של מיכלי ספיחה עלול לגרום לחלוקת גז לא אחידה, ולגרום להתחממות יתר מקומית; תכנון לא מספק של מערכת פיזור חום עלול להיכשל בהסרה מיידית של חום ספיחה, מה שיוביל לעליית טמפרטורה; מיקום לא נכון של נקודות ניטור טמפרטורה עלול לשקף בצורה לא מדויקת את הטמפרטורה האמיתית של מיטת הפחם הפעיל, עלול להיכשל בזיהוי חריגות טמפרטורה בזמן, לעכב פעולות מתקנות ולגרום להצטברות חום ולעליית טמפרטורה.

4 אסטרטגיות מניעה ובקרה של עליית טמפרטורה חריגה במיכלי ספיחת פחם פעיל

עבור מחסני נפט המתמודדים עם טמפרטורות קיץ גבוהות באזורים הדרומיים, אספקה ​​ישירה של נפט/גז מבתי זיקוק, טמפרטורות בולם גבוהות ויכולת עיבוד נפט/גז קרוב ל-רוויה, יש ליישם אמצעים להפחתת טמפרטורת הבולמים וטמפרטורת הנפט/גז הנכנסים למיכלי ספיחה ובולמי ספיחה. מטרתו היא לדכא עליית טמפרטורה חריגה בפחם הפעיל. גישה זו מתמקדת בשינויים קלים בתהליך ספיחת הפחמן הפעיל הקיים, תוך אי הכללה זמנית של תהליכים משולבים כמו עיבוי. שינויים ספציפיים כוללים: התקנת מערכות ריסוס, ציוד קירור- של מים או חומרים רפלקטיביים/בידודיים על קו כניסת מיכל הספיגה הקדם-, יציאת משאבת הוואקום/קו כניסת מגדל הספיגה הקדם- וקו מגדל ההתזה הקדם- ממיכל האגירה הסופג. זה מפחית את טמפרטורת הנפט והגז הנכנסים למיכל הספיחה, וממזער את הצטברות החום. במקביל, הורדת טמפרטורת הבולם משפרת את יעילות הספיגה ומונעת מאדי שמן בריכוז גבוה-להיכנס שוב-למיכל הספיחה לצורך ספיחה מחדש- ושחרור חום, ובכך לשלוט על עליית טמפרטורת הפחמן הפעיל.

4.2 בחירת סוכן ספיחה ואופטימיזציה

בחר פחם פעיל עם חלוקת גודל נקבוביות מתאימה וכימיה פני השטח בהתבסס על הרכב אדי השמן המטופל בפועל. החלף או יצר מחדש פחם פעיל באופן קבוע כדי למנוע סיכוני עליית טמפרטורה חריגים הנגרמים מהזדקנות. שקול להשתמש בפחם פעיל מסומם-על פני השטח-או קטליזטור-כדי לשפר את עמידות הטמפרטורה הגבוהה- שלו. התמקד במחקר על יישומים משולבים של מספר סופחים כדי לשלוט בחום הספיחה. לדוגמה, ניסויים מאשרים שמצע סיליקה ג'ל-מרוכב פחמן פעיל מפחית את חום הספיחה ב-35% ומאריך את זמן הפריצה של פחמימנים C6–C12 ב-20%. סיליקה ג'ל מורכבת מחלקיקי פולימר סיליקה קשיחים, אמורפיים-כמו ורשתות-. חלוקת גודל הנקבוביות שלו משתרעת על טווח רחב ללא אחידות, מאפיין דומה לפחם פעיל. דמיון זה קובע שסיליקה ג'ל מציג ביצועים דומים לפחם פעיל ביישומי ספיחת גז אורגני. ג'ל סיליקה הידרופובי בוגר מפגין הידרופוביות, אי-דליקות ואנטי-סטטיות. כאשר משתמשים בו כסופח, הוא אינו סופח אדי מים הנאגרים בזרמי נפט וגז ואינו מייצר חום במהלך תהליך הספיחה. באופן ספציפי, ניתן למלא שכבה תחתונה של סיליקה ג'ל בשכבה עליונה של פחם פעיל. מצד אחד, סיליקה ג'ל מפגין ביצועי ספיחה מעולים עבור זרמי נפט וגז בריכוז גבוה-, עם שחרור חום נמוך משמעותית במהלך הספיחה בהשוואה לפחם פעיל. מצד שני, פחם פעיל מציג ביצועי ספיחה טובים עבור נפט וגז בריכוז נמוך- תוך יצירת חום מינימלי במהלך הספיחה. שימוש בסיליקה ג'ל בשכבה התחתונה כדי לספוח שמן וגז בריכוז גבוה-, ואחריו פחמן פעיל בשכבה העליונה עבור שמן וגז בריכוז נמוך, ממנף בצורה אופטימלית את תכונות הספיחה של שני הסופחים [1] ומפחית את יצירת חום הספיחה מנקודת מבט של תהליך.

4.3 אופטימיזציה של עיצוב מיכל ספיחה

חידוד עיצוב מיכל הספיחה הוא חיוני למניעת עליות טמפרטורה חריגות. אמצעי מפתח כוללים: אימוץ עיצוב מודולרי לתחזוקה והחלפה קלה יותר; שיפור מבנה המיכל הפנימי כדי להבטיח חלוקת גז אחידה; שיפור מערכות פיזור חום כדי להגביר את יעילות ההסרה התרמית; והצבה אסטרטגית של נקודות ניטור טמפרטורה כדי להשיג ניטור מקיף של כל מיטת הפחם הפעיל. מומלץ עיצוב מיכל ספיחה מפולח. גישה זו מפיצה את חום הספיחה על פני מספר שלבים, ומפחיתה את העומס התרמי לכל מיכל.

בהתבסס על ניסיון תפעולי עם יחידות שחזור נפט וגז לספיחה של פחם פעיל בחברה של המחבר, עליות טמפרטורה חריגות ביחידות פחם פעיל נובעות באופן עקבי מגידול בהיקפי עיבוד. בעוד שהרחבת נפח המיכל להגדלת השימוש בפחם פעיל מגבירה את קיבולת היחידה, עיצוב זה מגביר את העומס התרמי לכל מיכל ספיחה, ופוגע בפעולה היציבה. במקום זאת, אנו ממליצים להגדיל את מספר מיכלי הספיחה כדי להגביר את הקיבולת. גישה זו מפחיתה עומס תרמי לכל מיכל ומאפשרת סיבוב מיכל, המאפשרת ספיחה יסודית יותר ומקדמת פעולה יציבה לטווח ארוך-.

4.4 אופטימיזציה של פרמטרי תפעול

(1) ייעל את ריכוז גז הכניסה והטמפרטורה בהתבסס על תנאי ההפעלה בפועל כדי למנוע התחממות יתר שנגרמה על ידי ריכוזים או טמפרטורות גבוהים מדי.

(2) הגדל את קצב התחלופה של הסופג (בנזין) כדי למנוע סטגנציה ממושכת. סטגנציה ממושכת מובילה להגדלת הפרופורציות של רכיבי אור ולטמפרטורות גבוהות בתוך הסופג, ומפחיתה את יעילות הספיגה. זה מאפשר לאדי שמן-גבוהים ובלתי נספגים-בריכוז גבוה להיכנס שוב- למיכל הספיחה, להגביר את לחץ העומס של היחידה ולגרום להצטברות חום מתמשכת.

(3) שליטה רציונלית על טמפרטורת הספיחה ומשך הזמן כדי להבטיח ספיחה מלאה.

(4) ייעול תקופות מחזור כדי לאזן את תהליכי הספיחה והספיחה, מניעת הצטברות חום.

(5) להקים מערכות ניטור והתראה מוקדמות מקיפות כדי לזהות ולטפל בחריגות באופן מיידי.

4.5 פיתוח חומרי ספיחה חדשים

פיתוח חומרי ספיחה חדשים מייצג פתרון לטווח ארוך-לבעיות של עליית טמפרטורה חריגה. המחקר צריך להתמקד בפיתוח סופחים עם יציבות תרמית וסלקטיביות משופרים, כגון מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) ומסגרות אורגניות קוולנטיות (COFs). חקור את שילוב חומרים לשינוי שלב (PCMs) לתוך מיטות ספיחה כדי למנף את תכונות קליטת החום- שלהם לבקרת טמפרטורה. פתח חומרים מרוכבים-עצמיים כדי לשפר את יכולות הניהול התרמי של המערכת.

עליית טמפרטורה חריגה בפחמן פעיל בתוך יחידות להשבת נפט וגז נובעת בעיקר משינויים בתכונות הפחמן, השפעת רכיבי פחמימנים, פרמטרים תפעוליים לא תקינים ופגמים בתכנון הציוד. כדי לטפל בגורמים אלה, אסטרטגיות מניעה צריכות לכלול אופטימיזציה של בחירת פחם פעיל, זיקוק עיצוב ציוד, שיפור פרמטרי תפעול ופיתוח סופחים חדשים. לממצאי מחקר זה יש השלכות משמעותיות לשיפור הבטיחות והיעילות של מערכות להשבת נפט וגז. הם יכולים להפחית ביעילות את הסיכון לעליית טמפרטורה חריגה, להאריך את חיי השירות של הציוד ולשפר את יעילות השחזור הנפט והגז. מחקר עתידי צריך להתמקד בפיתוח ויישום חומרי ספיגה חדשים, כמו גם בהקמת מערכות ניטור חכמות והתרעה מוקדמת כדי לשפר עוד יותר את הביצועים והאמינות של מערכות שחזור נפט וגז.