Применение активированного угля в улавливании паров

На протяжении десятилетий улавливание паров углеводородов было незаменимым процессом при погрузке топлива. После широкомасштабной-установки установок улавливания паров (УРУ) в 1990-х годах технология, основанная на адсорбции активированным углем с последующей вакуумной регенерацией, стала популярной.наилучшая доступная технология (НДТ)для подавляющего большинства приложений. По оценкам, более 95% новых VRU по всему миру используют этот процесс. При правильной конструкции система вакуумной-регенерации активированного угля может похвастаться высокой эффективностью, экономичностью,-экономичностью, безопасностью и исключительной надежностью-даже при минимальных требованиях к техническому обслуживанию.

 

 

Описание процесса

Пар, подлежащий обработке в VRU, представляет собой смесь воздуха и летучих органических соединений (ЛОС), обычно содержащую20-50% ЛОС по объему. Молекулы ЛОС состоят из более легких соединений, испаряющихся при погрузке бензина, сырой нефти или подобных продуктов. Пар проходит через слой активированного угля, поверхность которого имеет огромную площадь и состоит из миллионов пор. Активированный уголь можно представить как«молекулярная губка», где компоненты ЛОС прилипают к стенкам пор за счет слабых межмолекулярных сил, известных каксилы Ван дер Ваальса. Во время этого процесса адсорбции не происходит никаких химических изменений ни с активированным углем, ни с молекулами ЛОС. Благодаря высокой адсорбционной способности активированного угля выбросы углеводородов из УРУ могут быть снижены до чрезвычайно низкого уровня.

 

VRU состоит из двух или более слоев активированного угля, работающих вциклический режим адсорбции/регенерации, причем каждый цикл обычно длится от 10 до 15 минут. На этапе регенерации вакуумный насос снижает давление внутри угольного слоя до40-80 миллибар. Это низкое давление смещает равновесие, разрушая слабые силы между ЛОС и активированным углем и позволяя молекулам ЛОС выходить из угольного слоя через вакуумный насос в виде газового потока высокой-концентрации (95% ЛОС и 5% воздуха по объему). Поток газа течет противотоком черезпоглощающая башнягде он вступает в контакт с абсорбентом (обычно свежим бензином), и компоненты ЛОС, таким образом, абсорбируются свежим абсорбентом. Воздух, выходящий из абсорбционной колонны, все еще насыщенный следовыми количествами ЛОС, рециркулируется путем смешивания с поступающим -нагруженным ЛОС сырьевым газом, поступающим в слой адсорбционного угля. Это создает небольшой внутренний цикл снулевые выбросы.

Активированный уголь

Обычно используемое сырье - серии Yuanli GRP и HEM. Такой активированный уголь обладает превосходной адсорбционной способностью, и необходимо обеспечить его механическую прочность, чтобы избежать чрезмерного пылеобразования.

 

Сырье уже обладает определенной степенью пористости и удельной поверхностью 10–15 квадратных метров на грамм. Однако во время процесса активации-обычно проводимого в атмосфере окислительного пара при температуре от 800 до 1100 градусов -их удельная площадь поверхности увеличивается до более чем 1500 квадратных метров на грамм.

 

Микропористая структура активированного угля обеспечивает эффективное средство адсорбции, а мезопоры и макропоры имеют решающее значение для каналов молекулярного транспорта. Поэтому крайне важно, чтобы активированный уголь имел не только сильно развитую внутреннюю поверхность, но и сеть пор различного диаметра, обеспечивающую доступ к этой поверхности.

 

Морфология – гранулированная или гранулированная?

Активированный уголь доступен в гранулированной форме или в форме экструдированных гранул. Гранулированный активированный уголь, как правило, является наиболее экономичным-вариантом, но он имеет тенденцию слипаться и образовывать плотные зоны. Эти зоны создают более высокие перепады давления и мертвые зоны внутри угольного слоя, что приводит к образованию каналов, в которых газ течет преимущественно по путям с высокой-проницаемостью. Неравномерная адсорбция и регенерация по всему углеродному слою отрицательно повлияет на общую производительность установки улавливания паров (УРУ).

 

Гранулированный активированный уголь производится путем смешивания порошка активированного угля со связующим веществом и экструдирования смеси в цилиндрические формы. Его широко считают лучшим выбором для VRU, поскольку он менее склонен к уплотнению и образованию мертвых зон. В приложениях VRU гранулированный активированный уголь обычно имеет диаметр 4 миллиметра. Крайне важно, чтобы активированный уголь разного диаметра не смешивался, так как это приведет к более плотной упаковке и более высокому перепаду давления в слое угля.

 

Емкость и остаточная адсорбция

Адсорбционная способность означает массу летучих органических соединений (ЛОС), которые могут быть дополнительно адсорбированы на единицу массы активированного угля. Свежий активированный уголь обычно имеет емкость 30% по весу, то есть 1 килограмм угля может адсорбировать 0,3 килограмма ЛОС до достижения полного насыщения. Чтобы полностью восстановить уголь до его первоначальной мощности, необходима реактивация паром при температуре 1000 градусов. Однако этот процесс вызывает значительное истирание углерода, при этом значительная часть углерода теряется в виде пыли. Учитывая его непрактичность в циклических системах, вместо него используется более мягкий метод вакуумной регенерации. Благодаря вакуумной регенерации долгосрочная-емкость (также известная как "рабочая емкость") активированного угля на минеральной-основе обычно составляет около 8 % по весу. Разница между свежей емкостью и рабочей емкостью называется «остаточной адсорбцией».

 

Теплота адсорбции

Процесс адсорбции экзотермический. При нормальной циклической работе угольного слоя выделяющееся тепло повышает температуру примерно на 10–20 градусов выше температуры окружающей среды. Некоторые углеводороды, такие как кетоны и альдегиды, более реакционноспособны и могут вызывать более сильное повышение температуры внутри углеродного слоя. Некоторые типы активированного угля,-особенно полученные из древесины и скорлупы кокосовых орехов-более подвержены "тепловому выходу из-под контроля" или "горячим точкам", что приводит к необходимости выключения VRU, продувки его инертным газом и охлаждения под пристальным наблюдением. Когда свежий активированный уголь впервые подвергается воздействию паров, он проявляет высокую реакционную способность и выделяет значительное количество тепла. Температура внутри угольного слоя может подняться примерно до 100 градусов, поэтому ввод в эксплуатацию свежего углерода в ВРУ (также известный как «предварительная загрузка») должен выполняться обученными специалистами.

 

Основная проблема: предотвращение пыли

Пыль является критической проблемой, которую следует избегать, поскольку она приводит к потерям давления, снижает адсорбционную способность за счет закупорки поверхностных пор, вызывает чрезмерный износ вакуумных и абсорбционных насосов, блокирует фильтры и накапливается в резервуарах для хранения бензина.

Крайне важно, чтобы каждая партия активированного угля проходила испытания на критичные для работы ВРУ параметры, включая запыленность, сухость, плотность, размер частиц, твердость и работоспособность.

 

Обеспечение оптимальных условий эксплуатации активированного угля

В правильно спроектированном ВРУ срок службы активированного угля обычно составляет от 10 до 20 лет. Однако если конструкция ВРУ не обеспечит благоприятные условия эксплуатации углерода, срок его службы может сократиться до 4–5 лет.

 

Движение внутри углеродного слоя

В VRU давление меняется между атмосферным давлением и глубоким вакуумом не менее четырех раз в час. В начале каждого цикла регенерации вакуумный насос работает на полную мощность, снижая давление до порога десорбции. После завершения регенерации давление необходимо быстро выровнять, чтобы вернуть слой углерода в состояние, готовое к следующему циклу адсорбции. Если слой углерода не закреплен надежно, постоянная тянущая и толкающая сила приведет к тому, что частицы углерода будут тереться друг о друга и превращаться в пыль. Очевидно, что углерод низкой-прочности будет истираться быстрее, а гранулированный углерод будет более плотно упаковываться в комки. Даже твердый гранулированный углерод-на минеральной основе постепенно изнашивается и со временем образует пыль. Помимо предотвращения движения углерода, хорошо спроектированный УРВ должен также контролировать и минимизировать силы (вакуум и выравнивание давления), действующие на слой углерода.

Обычно потеря массы углерода из-за образования пыли является единственным наиболее важным фактором, влияющим на срок службы активированного угля-, и этого можно почти полностью избежать за счет правильной конструкции VRU.

 

Долгосрочная-остаточная адсорбция

Как отмечалось ранее, под остаточной адсорбцией понимается часть первоначальной адсорбционной емкости, которую невозможно восстановить путем вакуумной регенерации. Его можно представить как поры, постоянно занятые молекулами ЛОС, которые невозможно удалить вакуумом. В любой системе остаточная адсорбция со временем медленно увеличивается, что приводит к постепенному снижению работоспособности. Следует ожидать ежегодного сокращения мощности на несколько процентных пунктов. Хорошо спроектированные VRU имеют первоначальный запас прочности, компенсирующий это снижение. В рамках продуманной программы технического обслуживания VRU необходимо также периодически отбирать и анализировать пробы углерода, чтобы заблаговременно определить оптимальное время замены углерода.

 

Параметр	Целевое требование	Оптимальный выбор
Распределение потока углеродного слоя	Равномерное распределение потока обеспечивает максимальный срок службы, минимальный перепад давления и максимальную общую производительность VRU.	Гранулированный уголь диаметром 4 мм.
Пыль	Низкое начальное содержание пыли	Углерод, прошедший глубокую очистку и частые отборочные испытания партии.
Механическая прочность	Жесткий углерод высокой-твердости противостоит распаду в пыль и разрушению, обеспечивая длительный срок службы.	Высококачественный-углерод на минеральной-основе с определенным индексом твердости/износа.
Работоспособность	Достаточно высокий, чтобы обеспечить хорошую долгосрочную-эффективность VRU, но не слишком высокий (поскольку это увеличивает риск температурного разгона)	Углерод на минеральной-основе с полными-долгосрочными данными о работоспособности
Плотность	Количество углерода всегда указывается по весу, но значительные различия в плотности делают это ключевым фактором при расчете размеров канистры с углем.	Работоспособность должна быть соотнесена с плотностью; Сухая насыпная плотность каждой партии должна быть проверена.
Низкое падение давления	Углерод, который нелегко упаковать в плотные комки	Гранулированный уголь диаметром 4 мм.
Безопасность/Температура самовоспламенения	Более высокая температура самовоспламенения обеспечивает больший запас прочности против термического разгона в слое углерода.	Mineral-based carbon with documented autoignition temperature >450 градусов
	Плотные комки с большей вероятностью образуют горячие точки.	Гранулированный уголь предпочтительнее гранулированного.

 

Выбор оптимального активированного угля для установок улавливания паров

При выборе идеального активированного угля для установок улавливания паров (УРУ) наиболее важными критериями являются:

Затопление угольных пластов

Погружение активированного угля в жидкий абсорбент приводит к необратимому повреждению. Этого следует предотвратить путем установки соответствующих-устройств обнаружения высокого уровня на входе паров и в абсорбционной башне.

Унос аэрозоля в слой углерода

Крайне важно, чтобы абсорбционная колонна была оборудована туманоуловителем и чтобы скорость потока через вакуумный насос и абсорбционную башню контролировалась во избежание уноса аэрозоля в угольный слой-, это приведет к необратимому повреждению активированного угля.