3 Analyse des causes de l’augmentation anormale de la température du charbon actif
Les résultats de la recherche indiquent qu’une élévation anormale de la température du charbon actif se produit principalement par un mécanisme de réaction en chaîne, divisé en trois étapes :
① Accumulation de chaleur par adsorption : la chaleur d'adsorption physique se combine à la chaleur d'adsorption/réaction chimique, entraînée par l'adsorption de pétrole/gaz à haute -concentration et l'oxydation des sulfures ;
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 pour le carbone de coque de noix de coco).
3.1 Modifications des propriétés du charbon actif
Les altérations des propriétés du charbon actif sont un facteur clé contribuant à une élévation anormale de la température. Sur des périodes d'utilisation prolongées, le charbon actif peut subir un vieillissement, se manifestant par une surface spécifique réduite, une structure de pores altérée et des changements dans la chimie de surface. Ces altérations peuvent augmenter la chaleur d’adsorption, déclenchant des augmentations de température. De plus, le charbon actif peut adsorber des substances difficiles-à désorber-pendant le fonctionnement ; l’accumulation de telles substances peut catalyser des réactions exothermiques, aggravant encore les augmentations de température. Le fait de ne pas remplacer rapidement le charbon actif saturé peut réduire l’efficacité de l’adsorption, augmentant ainsi le risque d’augmentation anormale de la température.
3.2 Influence des composants hydrocarbonés
Différents composants d’hydrocarbures présentent des enthalpies d’adsorption et une réactivité variables. Certains hydrocarbures macromoléculaires à point d'ébullition-élevé-peuvent être difficiles à désorber. La recherche indique que les hydrocarbures dont les chaînes carbonées sont plus longues que C8 présentent des barrières énergétiques de désorption considérablement élevées sur les surfaces de charbon actif, conduisant à une enthalpie d'adsorption cumulative. De plus, les impuretés réactives telles que les sulfures et les oléfines présentes dans le pétrole et le gaz peuvent subir des réactions exothermiques telles qu'une oxydation ou une polymérisation à la surface du charbon actif, provoquant des augmentations de température. L’effet combiné de ces facteurs peut conduire à des élévations anormales de température dans le lit de charbon actif.
3.3 Paramètres de fonctionnement incorrects
Un mauvais réglage des paramètres de fonctionnement constitue un autre facteur important déclenchant des augmentations anormales de température. Une concentration excessivement élevée du gaz d'entrée peut provoquer une libération concentrée de chaleur d'adsorption, induisant une surchauffe localisée ; une vitesse d'entrée du gaz excessivement élevée peut accélérer l'accumulation de chaleur ; une température de gaz d'entrée excessivement élevée élève directement la température du lit, augmentant ainsi le risque de chauffage anormal ; un contrôle inapproprié de la température et de la durée de désorption peut
entraîner la formation excessive de substances résiduelles-à point d'ébullition-élevé sur la surface du charbon actif, augmentant ainsi les réactions exothermiques au cours des processus d'adsorption ultérieurs ; De plus, des réglages de cycle déraisonnables peuvent entraîner une accumulation de chaleur, déclenchant finalement une augmentation anormale de la température.
3.4 Défauts de conception de l'équipement
Des défauts de conception des équipements peuvent également provoquer une élévation anormale de la température. Une mauvaise conception de la structure interne des réservoirs d’adsorption peut entraîner une distribution inégale du gaz, provoquant une surchauffe localisée ; une conception inadéquate du système de dissipation thermique peut ne pas parvenir à éliminer rapidement la chaleur d'adsorption, entraînant une augmentation de la température ; un mauvais placement des points de surveillance de la température peut refléter de manière inexacte la température réelle du lit de charbon actif, ne parvenant pas à détecter les anomalies de température à temps, retardant les actions correctives et provoquant une accumulation de chaleur et une augmentation de la température.
4 stratégies de prévention et de contrôle de l'augmentation anormale de la température dans les réservoirs d'adsorption de charbon actif
4.1 Micro-Modification pour la réduction de la température
Pour les dépôts pétroliers confrontés à des températures estivales élevées dans les régions du sud, à un approvisionnement direct en pétrole/gaz depuis les raffineries, à des températures d'absorption élevées et à une capacité de traitement de pétrole/gaz proche de la saturation, des mesures doivent être mises en œuvre pour réduire la température de l'absorbeur et la température du pétrole/gaz entrant dans les réservoirs d'adsorption et les absorbeurs. Cela vise à supprimer l’augmentation anormale de la température du charbon actif. Cette approche se concentre sur des modifications mineures du processus d'adsorption sur charbon actif existant, excluant temporairement les processus combinés comme la condensation. Les modifications spécifiques incluent : l'installation de systèmes de pulvérisation, d'équipements de refroidissement par eau-ou de matériaux réfléchissants/isolants sur la ligne d'entrée du réservoir de pré-adsorption, la sortie de la pompe à vide/la conduite d'entrée de la tour de pré-absorption et la ligne de tour de pré-pulvérisation à partir du réservoir de stockage absorbant. Cela réduit la température du pétrole et du gaz entrant dans le réservoir d’adsorption, minimisant ainsi l’accumulation de chaleur. Simultanément, l'abaissement de la température de l'absorbeur améliore l'efficacité de l'absorption et empêche les vapeurs d'huile à haute concentration-de rentrer-dans le réservoir d'adsorption pour une nouvelle-adsorption et libération de chaleur, contrôlant ainsi l'augmentation de la température du charbon actif.
4.2 Sélection et optimisation des agents d'adsorption
Sélectionnez du charbon actif avec une distribution de taille de pores et une chimie de surface appropriées en fonction de la composition réelle de la vapeur d'huile à traiter. Remplacez ou régénérez régulièrement le charbon actif pour éviter les risques d'échauffement anormaux causés par le vieillissement. Pensez à utiliser du charbon actif modifié en surface-ou dopé par catalyseur-pour améliorer sa résistance aux températures élevées-. Concentrer la recherche sur les applications combinées de plusieurs adsorbants pour contrôler la chaleur d'adsorption. Par exemple, des expériences confirment qu'un lit composite de gel de silice-charbon actif réduit la chaleur d'adsorption de 35 % et prolonge de 20 % le temps de passage des hydrocarbures en C6 à C12. Le gel de silice est constitué de particules de polymère de silice rigides, amorphes, semblables à une chaîne-et structurées en réseau-. Sa distribution de taille de pores s'étend sur une large gamme sans uniformité, une caractéristique similaire au charbon actif. Cette similarité détermine que le gel de silice présente des performances comparables à celles du charbon actif dans les applications d'adsorption de gaz organiques. Le gel de silice hydrophobe mature présente des propriétés hydrophobes, ininflammables et antistatiques. Lorsqu'il est utilisé comme adsorbant, il n'adsorbe pas la vapeur d'eau entraînée dans les flux de pétrole et de gaz et ne génère pas de chaleur pendant le processus d'adsorption. Plus précisément, une couche inférieure de gel de silice peut être remplie d'une couche supérieure de charbon actif. D'une part, le gel de silice démontre des performances d'adsorption supérieures pour les flux de pétrole et de gaz à haute concentration, avec un dégagement de chaleur nettement inférieur pendant l'adsorption par rapport au charbon actif. D'autre part, le charbon actif présente de bonnes performances d'adsorption pour le pétrole et le gaz à faible concentration tout en générant une chaleur minimale pendant l'adsorption. L'utilisation de gel de silice dans la couche inférieure pour adsorber le pétrole et le gaz à haute -concentration, suivi de charbon actif dans la couche supérieure pour le pétrole et le gaz à faible-concentration, exploite de manière optimale les propriétés d'adsorption des deux adsorbants [1] et réduit la génération de chaleur d'adsorption du point de vue du processus.
4.3 Optimisation de la conception du réservoir d'adsorption
Il est crucial d’affiner la conception des réservoirs d’adsorption pour prévenir les augmentations anormales de température. Les mesures clés comprennent : l'adoption d'une conception modulaire pour faciliter la maintenance et le remplacement ; améliorer la structure interne du réservoir pour assurer une distribution uniforme du gaz ; améliorer les systèmes de dissipation thermique pour augmenter l'efficacité de l'élimination thermique ; et en plaçant stratégiquement des points de surveillance de la température pour obtenir une surveillance complète de l'ensemble du lit de charbon actif. Une conception de réservoir d'adsorption segmenté est recommandée. Cette approche répartit la chaleur d'adsorption sur plusieurs étapes, réduisant ainsi la charge thermique par réservoir.
D'après l'expérience opérationnelle des unités de récupération de pétrole et de gaz par adsorption sur charbon actif dans la société de l'auteur, les augmentations anormales de température dans les unités de charbon actif proviennent systématiquement d'une augmentation des volumes de traitement. Alors que l'augmentation du volume du réservoir pour augmenter l'utilisation de charbon actif augmente la capacité de l'unité, cette conception augmente la charge thermique par réservoir d'adsorption, compromettant ainsi un fonctionnement stable. Nous recommandons plutôt d’augmenter le nombre de réservoirs d’adsorption pour augmenter la capacité. Cette approche réduit la charge thermique par réservoir et permet la rotation du réservoir, permettant une désorption plus complète et favorisant un fonctionnement stable à long terme.
4.4 Optimisation des paramètres de fonctionnement
(1) Optimiser la concentration et la température du gaz d'entrée en fonction des conditions de fonctionnement réelles pour éviter la surchauffe causée par des concentrations ou des températures trop élevées.
(2) Augmenter le taux de renouvellement de l'absorbant (essence) pour éviter une stagnation prolongée. Une stagnation prolongée entraîne une augmentation des proportions de composants légers et des températures élevées au sein de l'absorbant, réduisant ainsi l'efficacité de l'absorption. Cela permet aux vapeurs d'huile non absorbées à haute -température et à haute-concentration de rentrer-dans le réservoir d'adsorption, augmentant ainsi la pression de charge de l'unité et provoquant une accumulation continue de chaleur.
(3) Contrôler rationnellement la température et la durée de désorption pour assurer une désorption complète.
(4) Optimiser les périodes de cycle pour équilibrer les processus d'adsorption et de désorption, empêchant ainsi l'accumulation de chaleur.
(5) Établir des systèmes complets de surveillance et d’alerte précoce pour détecter et traiter rapidement les anomalies.
4.5 Développement de nouveaux matériaux d'adsorption
Le développement de nouveaux matériaux d'adsorption représente une -solution à long terme aux problèmes d'augmentation anormale de la température. La recherche devrait se concentrer sur le développement d'adsorbants dotés d'une stabilité thermique et d'une sélectivité améliorées, tels que les structures organiques métalliques (MOF) et les structures organiques covalentes (COF). Envisagez d'intégrer des matériaux à changement de phase (PCM) dans des lits d'adsorption pour exploiter leurs propriétés d'absorption de chaleur-pour le contrôle de la température. Développez des matériaux composites auto--refroidissants pour améliorer les capacités de gestion thermique du système.
5Conclusion
L'augmentation anormale de la température du charbon actif dans les unités de récupération de pétrole et de gaz provient principalement de modifications des propriétés du carbone, de l'influence des composants hydrocarbures, de paramètres de fonctionnement inappropriés et de défauts de conception des équipements. Pour remédier à ces causes, les stratégies préventives devraient inclure l’optimisation de la sélection du charbon actif, le raffinage de la conception des équipements, l’amélioration des paramètres de fonctionnement et le développement de nouveaux adsorbants. Les résultats de cette étude ont des implications significatives pour l’amélioration de la sécurité et de l’efficacité des systèmes de récupération du pétrole et du gaz. Ils peuvent atténuer efficacement le risque d’augmentation anormale de la température, prolonger la durée de vie des équipements et améliorer l’efficacité de la récupération du pétrole et du gaz. Les recherches futures devraient se concentrer sur le développement et l'application de nouveaux matériaux adsorbants, ainsi que sur la mise en place de systèmes intelligents de surveillance et d'alerte précoce pour améliorer encore les performances et la fiabilité des systèmes de récupération du pétrole et du gaz.
