کاربردهای کربن فعال در بازیابی بخار

برای چندین دهه، بازیابی بخار هیدروکربن یک فرآیند ضروری در عملیات بارگیری سوخت بوده است. از زمان نصب-واحدهای بازیابی بخار در مقیاس بزرگ (VRU) در دهه 1990، فناوری مبتنی بر جذب کربن فعال و به دنبال آن بازسازی خلاء به عنوانبهترین تکنولوژی موجود (BAT)برای اکثریت قریب به اتفاق برنامه ها تخمین زده می شود که بیش از 95٪ از VRUهای جدید ساخته شده در سراسر جهان از این فرآیند استفاده می کنند. هنگامی که به درستی طراحی شود، سیستم کربن فعال بازسازی‌شده خلاء از راندمان بالا، هزینه{4}}اثربخشی، ایمنی و قابلیت اطمینان بسیار-حتی با حداقل نیازهای تعمیر و نگهداری برخوردار است.

 

 

شرح فرآیند

بخاری که باید در VRU تصفیه شود مخلوطی از هوا و ترکیبات آلی فرار (VOCs) است که معمولاً حاوی20-50 درصد VOC بر حسب حجم. مولکول های VOC شامل ترکیبات سبک تری هستند که در طی بارگیری بنزین، نفت خام یا محصولات مشابه تبخیر می شوند. بخار از بستری از کربن فعال عبور می کند که دارای سطح وسیعی است که از میلیون ها منافذ تشکیل شده است. کربن فعال را می توان به صورت یک تجسم کرد"اسفنج مولکولی"، که در آن اجزای VOC از طریق نیروهای بین مولکولی ضعیف به دیواره های منافذ می چسبندنیروهای واندروالس. در طول این فرآیند جذب هیچ تغییر شیمیایی در مولکول‌های کربن فعال یا VOC رخ نمی‌دهد. به لطف ظرفیت جذب بالای کربن فعال، انتشار هیدروکربن از VRU ها را می توان به سطوح بسیار پایین کاهش داد.

 

یک VRU شامل دو یا چند بستر کربن فعال است که در یکحالت چرخه جذب/باززایی، با هر چرخه معمولاً 10 تا 15 دقیقه طول می کشد. در مرحله بازسازی، یک پمپ خلاء فشار داخل بستر کربن را کاهش می دهد40-80 میلی بار. این فشار کم تعادل را تغییر می‌دهد، نیروهای ضعیف بین VOCs و کربن فعال را مختل می‌کند و به مولکول‌های VOC اجازه می‌دهد تا از بستر کربن از طریق پمپ خلاء به‌عنوان یک جریان گاز با غلظت بالا خارج شوند.95٪ VOCs و 5٪ هوا بر حسب حجم). جریان گاز بر خلاف جریان از طریق یک جریان می یابدبرج جذبجایی که با یک جاذب (معمولاً بنزین تازه) در تماس است و اجزای VOC به این ترتیب جذب جاذب تازه می شوند. هوایی که از برج جذب خارج می‌شود، که هنوز با مقادیر کمی از VOC ها اشباع شده است، با مخلوط شدن با VOC{1}}گاز خوراک مملو که وارد بستر کربن جذب می‌شود، بازیافت می‌شود. این یک حلقه داخلی کوچک باانتشار صفر.

کربن فعال

مواد خام معمول استفاده شده عبارتند از Yuanli GRP و سری HEM. چنین کربن فعال ظرفیت جذب فوق‌العاده‌ای را نشان می‌دهد و برای جلوگیری از تولید بیش از حد گرد و غبار باید از استحکام مکانیکی آن اطمینان حاصل شود.

 

مواد خام در حال حاضر دارای درجه خاصی از تخلخل و سطح مشخصی از 10-15 متر مربع در هر گرم هستند. با این حال، در طول فرآیند فعال‌سازی{3}}معمولاً در یک اتمسفر بخار اکسیدکننده در دماهای بین 800 درجه تا 1100 درجه انجام می‌شود -مساحت سطح ویژه آنها به بیش از 1500 متر مربع در گرم افزایش می‌یابد.

 

ساختار ریز متخلخل کربن فعال وسیله ای موثر برای جذب فراهم می کند، در حالی که مزوپورها و ماکروپورها برای کانال های انتقال مولکولی بسیار مهم هستند. بنابراین، ضروری است که کربن فعال نه تنها دارای سطح داخلی بسیار توسعه یافته باشد، بلکه دارای شبکه ای از منافذ با قطرهای مختلف باشد که دسترسی به این سطح را امکان پذیر می کند.

 

مورفولوژی - دانه ای یا گلوله ای؟

کربن فعال به دو صورت دانه ای یا اکسترود شده به صورت گلوله ای موجود است. کربن فعال گرانولی معمولاً مقرون به صرفه‌ترین گزینه-است، اما تمایل دارد با هم بسته شود و مناطق متراکم را تشکیل دهد. این مناطق افت فشار و فضاهای مرده بیشتری را در بستر کربن ایجاد می‌کنند که منجر به کانال‌هایی می‌شوند که در آن گاز ترجیحاً از طریق مسیرهای{3} نفوذپذیری بالا جریان می‌یابد. جذب ناهموار و بازسازی در کل بستر کربن بر عملکرد کلی واحد بازیابی بخار (VRU) تأثیر منفی خواهد گذاشت.

 

کربن فعال پلت شده با مخلوط کردن پودر کربن فعال با یک چسب و اکسترود کردن مخلوط به شکل های استوانه ای تولید می شود. به طور گسترده ای به عنوان انتخاب برتر برای VRU ها در نظر گرفته می شود زیرا کمتر مستعد بسته بندی و تشکیل مناطق مرده است. در کاربردهای VRU، کربن فعال پلت شده معمولاً دارای قطر 4 میلی متر است. به طور حیاتی، کربن فعال با قطرهای مختلف نباید مخلوط شود، زیرا این امر منجر به بسته‌بندی محکم‌تر و افت فشار بالاتر در سراسر بستر کربن می‌شود.

 

ظرفیت و جذب باقیمانده

ظرفیت جذب به جرم ترکیبات آلی فرار (VOCs) اطلاق می‌شود که می‌تواند به ازای واحد جرم کربن فعال نیز جذب شود. کربن فعال تازه معمولاً دارای ظرفیت 30 درصد وزنی است، به این معنی که 1 کیلوگرم کربن می تواند 0.3 کیلوگرم VOCs را قبل از رسیدن به اشباع کامل جذب کند. برای بازگرداندن کامل کربن به ظرفیت اولیه خود، فعال سازی مجدد با استفاده از بخار در دمای 1000 درجه مورد نیاز است. با این حال، این فرآیند باعث ساییدگی قابل توجه کربن می شود و بخش قابل توجهی از کربن به عنوان گرد و غبار از بین می رود. با توجه به غیر عملی بودن آن در سیستم‌های چرخه‌ای، یک روش بازسازی خلاء ملایم‌تر به جای آن استفاده می‌شود. از طریق بازسازی خلاء، ظرفیت طولانی مدت (که به عنوان "ظرفیت کاری" نیز شناخته می شود) کربن فعال مبتنی بر معدنی معمولاً حدود 8٪ وزنی است. تفاوت بین ظرفیت تازه و ظرفیت کاری به عنوان "جذب باقیمانده" نامیده می شود.

 

گرمای جذب

فرآیند جذب گرمازا است. در طول عملکرد چرخه ای معمولی بستر کربن، گرمای آزاد شده دما را تقریباً 10 تا 20 درجه بالاتر از دمای محیط افزایش می دهد. برخی از هیدروکربن ها، مانند کتون ها و آلدئیدها، واکنش پذیرتر هستند و می توانند باعث افزایش دمای بالاتر در بستر کربن شوند. انواع خاصی از کربن فعال-به‌ویژه آنهایی که از چوب و پوسته نارگیل به دست می‌آیند{6}}بیشتر در معرض "فرار حرارتی" یا "نقاط داغ" هستند، که نیاز به خاموش کردن VRU، تمیز کردن آن با گاز بی‌اثر و خنک کردن آن تحت نظارت دقیق دارند. هنگامی که کربن فعال تازه برای اولین بار در معرض بخارات قرار می گیرد، واکنش پذیری بالایی از خود نشان می دهد و گرمای قابل توجهی تولید می کند. دمای داخل بستر کربن می تواند تا حدود 100 درجه افزایش یابد، بنابراین راه اندازی کربن تازه در VRU (همچنین به عنوان "پیش بارگذاری" شناخته می شود) باید توسط متخصصان آموزش دیده انجام شود.

 

نگرانی اصلی: جلوگیری از گرد و غبار

گرد و غبار موضوعی حیاتی است که باید از آن اجتناب شود، زیرا منجر به تلفات افت فشار می شود، ظرفیت جذب را با مسدود کردن منافذ سطح کاهش می دهد، باعث سایش بیش از حد پمپ های خلاء و پمپ های جذب می شود، فیلترها را مسدود می کند و در مخازن ذخیره بنزین تجمع می یابد.

ضروری است که هر دسته از کربن فعال در برابر پارامترهای حیاتی برای عملکرد VRU، از جمله محتوای گرد و غبار، خشکی، چگالی، اندازه ذرات، سختی و ظرفیت کاری آزمایش شوند.

 

تضمین شرایط عملیاتی بهینه برای کربن فعال

در یک VRU که به درستی طراحی شده باشد، عمر مفید کربن فعال معمولاً بین 10 تا 20 سال است. با این حال، اگر طراحی VRU نتواند شرایط عملیاتی مطلوب را برای کربن تضمین کند، عمر مفید آن ممکن است به 4 تا 5 سال کاهش یابد.

 

حرکت در داخل بستر کربن

در VRUها، فشار بین فشار اتمسفر و خلاء عمیق حداقل چهار بار در ساعت چرخه می‌شود. در شروع هر چرخه بازسازی، پمپ خلاء با ظرفیت کامل کار می کند تا فشار را تا آستانه دفع کاهش دهد. پس از تکمیل بازسازی، فشار باید به سرعت یکسان شود تا بستر کربن به حالت آماده برای چرخه جذب بعدی برگردد. مگر اینکه بستر کربن به طور ایمن ثابت شده باشد، این نیروی کشش و فشار ثابت باعث ساییده شدن ذرات کربن روی یکدیگر و ساییدگی آنها به گرد و غبار می شود. واضح است که کربن با استحکام پایین سریعتر ساییده می‌شود و کربن دانه‌ای محکم‌تر در توده‌ها بسته می‌شود. حتی کربن گلوله‌شده بر پایه مواد معدنی{6} سخت به تدریج فرسوده می‌شود و در طول زمان گرد و غبار تولید می‌کند. فراتر از جلوگیری از حرکت کربن، یک VRU خوب طراحی شده باید نیروهای (یکسان سازی خلاء و فشار) را که بر بستر کربن اعمال می‌کنند، کنترل و به حداقل برساند.

به طور معمول، از دست دادن انبوه کربن به دلیل تولید گرد و غبار تنها مهم‌ترین عاملی است که بر عمر مفید کربن فعال تأثیر می‌گذارد-و تقریباً می‌توان از طریق طراحی مناسب VRU از این امر جلوگیری کرد.

 

جذب باقیمانده طولانی مدت-

همانطور که قبلا ذکر شد، جذب باقیمانده به بخشی از ظرفیت جذب اولیه اشاره دارد که از طریق بازسازی خلاء قابل بازیابی نیست. می توان آن را به عنوان منافذی که به طور دائم توسط مولکول های VOC اشغال شده است که با خلاء حذف نمی شوند، تجسم کرد. در هر سیستمی، جذب باقیمانده در طول زمان به آرامی افزایش می‌یابد که منجر به کاهش تدریجی ظرفیت کاری می‌شود. کاهش ظرفیت سالانه چند درصدی باید پیش بینی شود. VRUهای خوب طراحی شده دارای حاشیه ایمنی اولیه برای جبران این کاهش هستند. به عنوان بخشی از یک برنامه تعمیر و نگهداری صحیح VRU، نمونه های کربن نیز باید به صورت دوره ای استخراج و تجزیه و تحلیل شوند تا زمان جایگزینی کربن بهینه از قبل تعیین شود.

 

پارامتر	مورد نیاز هدف	انتخاب بهینه
توزیع جریان بستر کربن	توزیع جریان یکنواخت طولانی ترین عمر سرویس، کمترین افت فشار و حداکثر ظرفیت کلی VRU را ارائه می دهد.	کربن پلت شده با قطر 4 میلی متر
گرد و غبار	محتوای گرد و غبار اولیه کم	کربنی که تحت تمیز کردن عمیق و آزمایش های نمونه برداری دسته ای مکرر قرار گرفته است
استحکام مکانیکی	کربن سفت و سخت با{0}}سختی بالا در برابر خرد شدن به گرد و غبار و تخریب مقاومت می کند و عمر طولانی را تضمین می کند	کربن بر پایه معدنی-با کیفیت بالا-با شاخص سختی/سایش مشخص
ظرفیت کار	به اندازه کافی بالا برای اطمینان از کارایی خوب درازمدت VRU، اما نه بیش از حد بالا (زیرا خطر فرار حرارتی را افزایش می‌دهد)	کربن پایه معدنی-با رکوردهای کامل ظرفیت کار طولانی مدت-
تراکم	مقدار کربن همیشه بر اساس وزن مشخص می شود، اما تغییرات چگالی قابل توجه آن را به عاملی کلیدی در محاسبه ابعاد قوطی کربن تبدیل می کند.	ظرفیت کاری باید با چگالی مرتبط باشد. چگالی ظاهری خشک هر دسته باید تأیید شود
افت فشار کم	کربنی که به راحتی در توده های متراکم بسته نمی شود	کربن پلت شده با قطر 4 میلی متر
ایمنی/دمای خود اشتعال	دمای خود اشتعال بالاتر، حاشیه ایمنی بیشتری را در برابر فرار حرارتی در بستر کربن ایجاد می کند.	Mineral-based carbon with documented autoignition temperature >450 درجه
	توده های متراکم بیشتر احتمال دارد که نقاط داغ را تشکیل دهند	کربن پلت شده بر کربن دانه ای ترجیح داده می شود

 

انتخاب کربن فعال بهینه برای واحدهای بازیابی بخار

هنگام انتخاب کربن فعال ایده آل برای واحدهای بازیابی بخار (VRU)، مهمترین معیارها عبارتند از:

سیلاب بستر کربن

غوطه ور شدن کربن فعال در جاذب مایع باعث آسیب غیرقابل برگشت می شود. باید با نصب دستگاه‌های تشخیص سطح بالا در ورودی بخار و برج جذب از این امر جلوگیری کرد.

حباب آئروسل به بستر کربن

بسیار مهم است که برج جذب به یک حذف کننده مه مجهز باشد و نرخ جریان از طریق پمپ خلاء و برج جذب کنترل شود تا از ورود آئروسل به بستر کربن جلوگیری شود-این امر باعث آسیب غیرقابل برگشت به کربن فعال می شود.