Com o crescente rigor das regulamentações ambientais e a crescente consciência pública sobre a proteção ambiental, a importância da tecnologia de recuperação de vapores na indústria petroquímica tornou-se cada vez mais proeminente. A adsorção de carvão ativado, como uma tecnologia eficiente e econômica de recuperação de vapor, tem sido amplamente aplicada em áreas como instalações de armazenamento de petróleo. No entanto, durante a operação real, ocorre frequentemente um aumento anormal de temperatura no tanque de adsorção de carvão ativado, representando uma séria ameaça à operação segura do sistema e à eficiência de recuperação, necessitando de resolução urgente. Este estudo tem como objetivo investigar minuciosamente as causas do aumento anormal de temperatura em sistemas de recuperação de vapor por adsorção de carvão ativado e propor estratégias eficazes de prevenção e controle para fornecer referências para o projeto otimizado e operação segura de sistemas de recuperação de vapor.
1 Visão geral dos dispositivos de recuperação de vapor por adsorção de carvão ativado
Adsorção de carvão ativadodispositivos de recuperação de vaporutilizam principalmente a alta eficiência de adsorção do carvão ativado para adsorver e recuperar compostos orgânicos voláteis (VOCs). Devido às vantagens da tecnologia de adsorção de carvão ativado em dispositivos de recuperação de vapor, como alta eficiência de adsorção, forte adaptabilidade, viabilidade econômica e operação estável, elas são amplamente aplicadas em instalações de armazenamento de óleo acabado, gerando benefícios ambientais e econômicos significativos.
1.1 Fluxo do Processo
O óleo de adsorção de carvão ativadosistema de recuperação de vaporconsiste principalmente em um sistema de pré-tratamento (filtros, resfriadores, etc.), um sistema de adsorção (tanques de adsorção, camadas de carvão ativado, sistemas de entrada, etc.), um sistema de dessorção (bombas de vácuo, etc.), um sistema de recuperação (torres de purificação, etc.) e um sistema de controle (PLC, sensores e instrumentos, etc.).
1) O gás de exaustão entra no sistema de pré-tratamento, onde é filtrado e resfriado antes de entrar no sistema de adsorção.
(2) O gás de exaustão entra no sistema de adsorção, onde os COVs são adsorvidos pelo carvão ativado no leito de adsorção, e o gás purificado é emitido.
(3) O gás de exaustão entra no sistema de dessorção. Quando o carvão ativado atinge a saturação de adsorção, ele muda para o modo de dessorção para dessorver VOCs.
(4) O gás de exaustão entra no sistema de recuperação, onde o gás de COV de alta-concentração após a dessorção é recuperado.
(5) O sistema de controle do sistema monitora e ajusta os parâmetros em{1}}tempo real em todos os estágios para garantir uma operação eficiente e estável do sistema.
1.2 Princípio de Funcionamento
O principal princípio de funcionamento do sistema de recuperação de vapor de óleo por adsorção de carbono ativado é adsorver seletivamente misturas de vapor de óleo usando carvão ativado, separando VOCs do gás de exaustão e, em seguida, recuperando-VOCs de alta concentração por meio do processo de dessorção. O processo consiste principalmente em estágios de adsorção, dessorção e recuperação.
(1) Estágio de adsorção.
Com base na estrutura física e química única do carvão ativado, que permite a captura e fixação de impurezas em gases (como compostos orgânicos e moléculas de odor), quando o gás de exaustão contendo VOCs passa pelo leito de carvão ativado após filtração e resfriamento, o carvão ativado adsorve efetivamente as moléculas de VOC, e o gás purificado é descarregado em conformidade com os padrões. O mecanismo central de adsorção de carvão ativado pode ser dividido em dois tipos: adsorção física e adsorção química. A adsorção física é alcançada através das forças de van der Waals entre as moléculas. Moléculas de adsorvato
(como VOCs, pigmentos, etc.) são capturados pela estrutura porosa e pela grande área superficial específica do carvão ativado. A adsorção química é dominada por reações de superfície. As moléculas de adsorvato formam ligações químicas (como ligações covalentes, ligações de hidrogênio ou troca iônica) com grupos funcionais na superfície do carvão ativado, comumente observadas na adsorção de moléculas polares (como íons de metais pesados ou gases ácidos). Os principais poluentes nas instalações de armazenamento de petróleo são os COV, onde a adsorção física domina, mas a adsorção química não deve ser negligenciada, especialmente sob condições-de alta temperatura ou na presença de grupos funcionais específicos.
(2) Estágio de dessorção.
Depois que o carvão ativado atinge a saturação de adsorção, o processo de dessorção das substâncias adsorvidas da superfície do carvão ativado usando métodos físicos ou químicos é uma etapa crítica para a regeneração e reutilização do carvão ativado. Os métodos comuns incluem dessorção térmica, dessorção de pressão e dessorção de deslocamento. A dessorção de pressão é comumente usada em instalações de armazenamento de petróleo. Isto envolve a redução da pressão do sistema usando equipamentos como bombas de vácuo para diminuir a quantidade de adsorbato na superfície do carvão ativado. Uma vez que a pressão é reduzida, o equilíbrio de adsorção é perturbado e as moléculas de adsorção são dessorvidas do ativado.
superfície de carbono.
(3) Estágio de recuperação.
O gás de COV de alta-concentração após a dessorção entra no sistema de recuperação, onde pode ser recuperado usando métodos como absorção, condensação ou separação por membrana para reduzir a poluição ambiental e o desperdício de recursos. A absorção física é comumente usada em instalações de armazenamento de petróleo acabado, onde o gás de alta-concentração de VOCs entra em contato em contracorrente com um absorvente. A separação é conseguida utilizando a diferença na solubilidade dos COV no absorvente (como a gasolina), fazendo com que os COV se dissolvam no absorvente.
2 Aumento anormal de temperatura no carvão ativado e seus perigos
A faixa normal de temperatura operacional para carvão ativado é normalmente de 40 a 60 graus. Dentro desta faixa de temperatura, o carvão ativado mantém alta capacidade de adsorção e rápidas taxas de adsorção. No entanto, no uso real,
a temperatura do leito de carvão ativado pode exceder significativamente a temperatura normal de operação. Com base na extensão e na taxa de aumento da temperatura, o aumento anormal da temperatura pode ser classificado em dois tipos: aumento lento da temperatura e aumento rápido da temperatura. O aumento lento da temperatura é frequentemente causado pelo envelhecimento do carvão ativado ou pelo acúmulo de vestígios de impurezas, normalmente manifestando-se à medida que a temperatura da camada de carvão ativado aumenta gradualmente a uma taxa de 1–3 graus/h, atingindo potencialmente níveis perigosos em horas ou dias; O rápido aumento da temperatura é frequentemente causado por concentração de calor de adsorção localizada ou reações exotérmicas descontroladas (como polimerização de olefinas ou oxidação de compostos de enxofre), caracterizadas por um aumento de temperatura superior a 10 graus em minutos, com aumento rápido e contínuo, atingindo potencialmente níveis perigosos em minutos ou horas.
Independentemente da forma de aumento anormal de temperatura no carvão ativado, quando a temperatura excede um determinado limite, é acompanhada por fenômenos anormais, como diminuição da capacidade de adsorção de carvão ativado, flutuações na pressão do leito e emissões excessivas de gases de escape, podendo até levar a problemas de segurança, como combustão espontânea. Os perigos manifestam-se principalmente nos três aspectos seguintes.
(1) Declínio da eficiência operacional.
Os aumentos de temperatura reduzem a capacidade de adsorção do carvão ativado. De acordo com a teoria da termodinâmica de adsorção, a adsorção física é um processo exotérmico e a capacidade de adsorção diminui com o aumento da temperatura. Estatísticas de dados experimentais mostram que para cada aumento de 10 graus na temperatura do leito, a capacidade de adsorção do carvão ativado para VOCs como benzeno e tolueno diminui de 10% a 17%, o que pode levar à redução da eficiência de recuperação do sistema e até mesmo exceder os padrões de emissões,
aumentando o risco de sanções ambientais.
(2) Danos ao equipamento.
Aumentos de temperatura podem causar superaquecimento localizado em tanques de adsorção (por exemplo, em costuras de solda), levando à corrosão por tensão térmica, resistência à pressão reduzida e incapacidade de atingir níveis de vácuo durante a dessorção, ou mesmo deformação estrutural e rachaduras do tanque; durante a dessorção, os vapores de óleo aquecidos da camada do leito podem danificar as bombas de vácuo; temperaturas superiores a 200 graus podem causar o colapso das estruturas microporosas de carvão ativado, reduzindo a área de superfície específica em 40% –
60%, e diminuição do valor de iodo para 400 mg/g, levando à desativação do carvão ativado.
(3) Aumento dos riscos de segurança.
Quando a temperatura da camada do leito excede o ponto de autoignição do carvão ativado, pode causar chamas abertas. Se a concentração de vapor dentro do tanque atingir o limite de explosão, também poderá causar um acidente de deflagração. Empresas de produção e armazenamento de produtos químicos perigosos sofreram acidentes típicos semelhantes devido a aumentos anormais de temperatura no carvão ativado. Por exemplo, em 2021, uma refinaria sofreu um acidente devido a uma configuração incorreta da temperatura de dessorção (definida para 180 graus, com um valor de projeto de 120 graus), fazendo com que a temperatura do leito de carvão ativado subisse para 250 graus em 3 horas, resultando em rachaduras no tanque, vazamento de VOC de 1,2 toneladas e perdas econômicas diretas superiores a
5 milhões de yuans. Em 2019, compostos de enxofre acumularam-se e oxidaram-se na superfície do carvão ativado numa instalação de armazenamento de petróleo, desencadeando combustão espontânea num ponto quente local de 310 graus. O fogo se espalhou para tanques de armazenamento adjacentes e demorou 72 horas para ser extinto.
