3 Análise das Causas do Aumento Anormal da Temperatura no Carvão Ativado
Os resultados da investigação indicam que o aumento anormal da temperatura no carvão activado se desenvolve principalmente através de um mecanismo de reacção em cadeia, dividido nas três fases seguintes:
① Acúmulo de calor de adsorção: o calor de adsorção física combina-se com o calor de adsorção/reação química, impulsionado pela adsorção de óleo/gás de alta-concentração e oxidação de sulfeto;
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 para carbono de casca de coco).
3.1 Mudanças nas propriedades do carvão ativado
Alterações nas propriedades do carvão ativado são um fator chave que contribui para o aumento anormal da temperatura. Durante longos períodos de uso, o carvão ativado pode sofrer envelhecimento, manifestado como área de superfície específica reduzida, estrutura de poros alterada e alterações na química da superfície. Essas alterações podem aumentar o calor de adsorção, provocando aumentos de temperatura. Além disso, o carvão ativado pode adsorver substâncias difíceis-de{4}}dessorver durante a operação; o acúmulo de tais substâncias pode catalisar reações exotérmicas, exacerbando ainda mais os aumentos de temperatura. A não substituição imediata do carvão ativado saturado pode reduzir a eficiência de adsorção, aumentando o risco de aumento anormal da temperatura.
3.2 Influência dos Componentes de Hidrocarbonetos
Diferentes componentes de hidrocarbonetos exibem diferentes entalpias de adsorção e reatividade. Certos hidrocarbonetos macromoleculares com alto-ponto de ebulição- podem ser difíceis de dessorver. A pesquisa indica que hidrocarbonetos com cadeias de carbono maiores que C8 exibem barreiras de energia de dessorção significativamente elevadas em superfícies de carvão ativado, levando à entalpia de adsorção cumulativa. Além disso, impurezas reativas como sulfetos e olefinas presentes no petróleo e no gás podem sofrer reações exotérmicas, como oxidação ou polimerização na superfície do carvão ativado, causando aumentos de temperatura. O efeito combinado destes fatores pode levar a aumentos anormais de temperatura no leito de carvão ativado.
3.3 Parâmetros Operacionais Inadequados
Configurações incorretas dos parâmetros operacionais constituem outro fator significativo que provoca aumentos anormais de temperatura. Concentrações excessivamente altas de gás de entrada podem causar liberação concentrada de calor de adsorção, induzindo superaquecimento localizado; a velocidade excessivamente alta do gás de entrada pode acelerar o acúmulo de calor; a temperatura excessivamente alta do gás de entrada eleva diretamente a temperatura do leito, aumentando o risco de aquecimento anormal; o controle inadequado da temperatura e duração da dessorção pode
resultam em substâncias residuais excessivas com ponto de-alto ponto de ebulição-na superfície do carvão ativado, aumentando as reações exotérmicas durante os processos de adsorção subsequentes; além disso, configurações de ciclo não razoáveis podem levar ao acúmulo de calor, provocando, em última análise, um aumento anormal da temperatura.
3.4 Defeitos no Projeto do Equipamento
Falhas no projeto do equipamento também podem causar aumento anormal de temperatura. O projeto inadequado da estrutura interna dos tanques de adsorção pode resultar em distribuição desigual de gás, causando superaquecimento localizado; o projeto inadequado do sistema de dissipação de calor pode não conseguir remover prontamente o calor de adsorção, levando a aumentos de temperatura; a colocação inadequada de pontos de monitoramento de temperatura pode refletir imprecisamente a temperatura real do leito de carvão ativado, potencialmente falhando na detecção de anomalias de temperatura a tempo, atrasando ações corretivas e causando acúmulo de calor e aumento de temperatura.
4 Estratégias de Prevenção e Controle para Aumento Anormal de Temperatura em Tanques de Adsorção de Carvão Ativado
4.1 Micro-modificação para redução de temperatura
Para depósitos de petróleo que enfrentam altas temperaturas no verão nas regiões do sul, fornecimento direto de petróleo/gás das refinarias, temperaturas elevadas do absorvedor e capacidade de processamento de petróleo/gás quase{0}saturada, medidas devem ser implementadas para reduzir a temperatura do absorvedor e a temperatura do óleo/gás que entra nos tanques de adsorção e nos absorvedores. O objetivo é suprimir o aumento anormal da temperatura no carvão ativado. Esta abordagem concentra-se em pequenas modificações no processo existente de adsorção de carvão ativado, excluindo temporariamente processos combinados como condensação. Modificações específicas incluem: instalação de sistemas de pulverização, equipamento de resfriamento-de água ou materiais refletivos/isolantes na linha de entrada do tanque de pré-adsorção, na saída da bomba de vácuo/linha de entrada da torre de pré{6}}absorção e na linha da torre de pré-pulverização do tanque de armazenamento absorvente. Isto reduz a temperatura do óleo e do gás que entra no tanque de adsorção, minimizando o acúmulo de calor. Simultaneamente, a redução da temperatura do absorvedor aumenta a eficiência de absorção e evita que vapores de óleo de alta{10}}concentração re-entrem no tanque de adsorção para re-adsorção e liberação de calor, controlando assim o aumento da temperatura do carvão ativado.
4.2 Seleção e Otimização do Agente de Adsorção
Selecione carvão ativado com distribuição adequada de tamanho de poros e química de superfície com base na composição real do vapor de óleo a ser tratado. Substitua ou regenere regularmente o carvão ativado para evitar riscos anormais de aumento de temperatura causados pelo envelhecimento. Considere usar carvão ativado de superfície-modificada ou dopada com catalisador-para aumentar sua resistência a altas-temperaturas. Concentre a pesquisa em aplicações combinadas de vários adsorventes para controlar o calor de adsorção. Por exemplo, experimentos confirmam que um leito composto de carbono ativado-de sílica gel reduz o calor de adsorção em 35% e estende o tempo de ruptura para hidrocarbonetos C6–C12 em 20%. A sílica gel consiste em partículas de polímero de sílica rígidas e amorfas,-em forma de cadeia e-estruturadas em rede. Sua distribuição de tamanho de poros abrange uma ampla faixa sem uniformidade, característica semelhante ao carvão ativado. Esta semelhança determina que a sílica gel apresenta desempenho comparável ao carvão ativado em aplicações de adsorção de gases orgânicos. A sílica gel hidrofóbica madura exibe hidrofobicidade, não-inflamabilidade e propriedades anti{19}}estáticas. Quando usado como adsorvente, não adsorve o vapor de água arrastado nas correntes de petróleo e gás e não gera calor durante o processo de adsorção. Especificamente, uma camada inferior de sílica gel pode ser preenchida com uma camada superior de carvão ativado. Por um lado, a sílica gel demonstra desempenho de adsorção superior para fluxos de óleo e gás de alta-concentração, com liberação de calor significativamente menor durante a adsorção em comparação ao carvão ativado. Por outro lado, o carvão ativado apresenta bom desempenho de adsorção para petróleo e gás de baixa concentração, ao mesmo tempo que gera calor mínimo durante a adsorção. O uso de sílica gel na camada inferior para adsorver óleo e gás de alta{27}}concentração, seguido de carvão ativado na camada superior para óleo e gás de baixa{28}}concentração, aproveita de maneira ideal as propriedades de adsorção de ambos os adsorventes [1] e reduz a geração de calor de adsorção do ponto de vista do processo.
4.3 Otimizando o Projeto do Tanque de Adsorção
O projeto refinado do tanque de adsorção é crucial para evitar aumentos anormais de temperatura. As principais medidas incluem: adopção de um design modular para facilitar a manutenção e substituição; melhoria da estrutura interna do tanque para garantir distribuição uniforme de gás; melhorar os sistemas de dissipação de calor para aumentar a eficiência da remoção térmica; e posicionar estrategicamente pontos de monitoramento de temperatura para obter monitoramento abrangente de todo o leito de carvão ativado. Recomenda-se um projeto de tanque de adsorção segmentado. Esta abordagem distribui o calor de adsorção em vários estágios, reduzindo a carga térmica por tanque.
Com base na experiência operacional com unidades de adsorção de carvão ativado e recuperação de petróleo e gás na empresa do autor, aumentos anormais de temperatura em unidades de carvão ativado decorrem consistentemente do aumento dos volumes de processamento. Embora a expansão do volume do tanque para aumentar o uso de carvão ativado aumente a capacidade da unidade, esse design aumenta a carga térmica por tanque de adsorção, comprometendo a operação estável. Em vez disso, recomendamos aumentar o número de tanques de adsorção para aumentar a capacidade. Essa abordagem reduz a carga térmica por tanque e permite a rotação do tanque, permitindo uma dessorção mais completa e promovendo uma operação estável-de longo prazo.
4.4 Otimizando Parâmetros Operacionais
(1) Otimize a concentração e a temperatura do gás de entrada com base nas condições reais de operação para evitar superaquecimento causado por concentrações ou temperaturas excessivamente altas.
(2) Aumentar a taxa de rotatividade do absorvente (gasolina) para evitar estagnação prolongada. A estagnação prolongada leva a proporções aumentadas de componentes leves e temperaturas elevadas dentro do absorvente, reduzindo a eficiência de absorção. Isso permite que vapores de óleo não absorvidos de alta-temperatura e alta{4}}concentração entrem novamente-no tanque de adsorção, aumentando a pressão de carga da unidade e causando acúmulo contínuo de calor.
(3) Controlar racionalmente a temperatura e a duração da dessorção para garantir a dessorção completa.
(4) Otimize os períodos do ciclo para equilibrar os processos de adsorção e dessorção, evitando o acúmulo de calor.
(5) Estabelecer sistemas abrangentes de monitorização e alerta precoce para detectar e resolver prontamente anomalias.
4.5 Desenvolvimento de Novos Materiais de Adsorção
O desenvolvimento de novos materiais de adsorção representa uma solução-de longo prazo para problemas de aumento anormal de temperatura. A pesquisa deve se concentrar no desenvolvimento de adsorventes com maior estabilidade térmica e seletividade, como estruturas metálicas-orgânicas (MOFs) e estruturas orgânicas covalentes (COFs). Explore a integração de materiais de mudança de fase (PCMs) em leitos de adsorção para aproveitar suas propriedades-de absorção de calor para controle de temperatura. Desenvolva materiais compostos de auto{6}}resfriamento para melhorar os recursos de gerenciamento térmico do sistema.
5 Conclusão
O aumento anormal da temperatura no carvão ativado nas unidades de recuperação de petróleo e gás decorre principalmente de mudanças nas propriedades do carbono, influência dos componentes de hidrocarbonetos, parâmetros operacionais inadequados e falhas no projeto do equipamento. Para abordar essas causas, as estratégias preventivas devem incluir a otimização da seleção de carvão ativado, o refinamento do projeto do equipamento, a melhoria dos parâmetros operacionais e o desenvolvimento de novos adsorventes. As conclusões deste estudo têm implicações significativas para melhorar a segurança e a eficiência dos sistemas de recuperação de petróleo e gás. Eles podem efetivamente mitigar o risco de aumento anormal de temperatura, prolongar a vida útil do equipamento e melhorar a eficiência da recuperação de petróleo e gás. A investigação futura deverá centrar-se no desenvolvimento e aplicação de novos materiais adsorventes, bem como no estabelecimento de sistemas inteligentes de monitorização e alerta precoce para melhorar ainda mais o desempenho e a fiabilidade dos sistemas de recuperação de petróleo e gás.
