Aplicații de cărbune activat în recuperarea vaporilor

De zeci de ani, recuperarea vaporilor de hidrocarburi a fost un proces indispensabil în operațiunile de încărcare a combustibilului. De la instalarea-la scară largă a unităților de recuperare a vaporilor (VRU) în anii 1990, tehnologia bazată pe adsorbția cărbunelui activat urmată de regenerarea în vid a apărut cacea mai bună tehnologie disponibilă (BAT)pentru marea majoritate a aplicațiilor. Se estimează că peste 95% dintre VRU-urile nou construite din întreaga lume adoptă acest proces. Atunci când este proiectat corespunzător, sistemul de cărbune activ regenerat cu vid-se mândrește cu eficiență ridicată, cost-eficiență, siguranță și fiabilitate extremă-chiar și cu cerințe minime de întreținere.

 

 

Descrierea procesului

Vaporii care trebuie tratați într-un VRU sunt un amestec de aer și compuși organici volatili (COV), care de obicei conțin20-50% COV în volum. Moleculele de COV constau din compuși mai ușori evaporați în timpul încărcării cu benzină, țiței sau produse similare. Vaporii trec printr-un pat de cărbune activ, care prezintă o suprafață enormă compusă din milioane de pori. Cărbunele activ poate fi vizualizat ca a"burete molecular", unde componentele COV aderă la pereții porilor prin forțe intermoleculare slabe cunoscute caforțele van der Waals. În timpul acestui proces de adsorbție, nu au loc modificări chimice nici la carbonul activat, nici la moleculele de COV. Datorită capacității mari de adsorbție a cărbunelui activ, emisiile de hidrocarburi de la VRU pot fi reduse la niveluri extrem de scăzute.

 

Un VRU cuprinde două sau mai multe paturi de cărbune activ care funcționează într-unmodul ciclic de adsorbție/regenerare, fiecare ciclu durând de obicei 10 până la 15 minute. În timpul fazei de regenerare, o pompă de vid reduce presiunea din interiorul patului de carbon la40-80 milibari. Această presiune scăzută schimbă echilibrul, perturbând forțele slabe dintre COV și cărbunele activat și permițând moleculelor de COV să iasă din patul de carbon prin pompa de vid ca un flux de gaz cu concentrație mare-(95% COV și 5% aer în volum). Fluxul de gaz curge în contracurent printr-unturn de absorbțieunde intră în contact cu un absorbant (de obicei, benzină proaspătă), iar componentele COV sunt absorbite astfel în absorbantul proaspăt. Aerul care iese din turnul de absorbție, încă saturat cu urme de COV, este reciclat prin amestecarea cu gazul de alimentare încărcat-COV care intră în patul de carbon de adsorbție. Acest lucru creează o buclă internă mică cuzero emisii.

Cărbune activat

Materiile prime utilizate în mod obișnuit sunt seriile Yuanli GRP și HEM. Un astfel de cărbune activ prezintă o capacitate excelentă de adsorbție, iar rezistența sa mecanică trebuie asigurată pentru a evita generarea excesivă de praf.

 

Materiile prime posedă deja un anumit grad de porozitate și o suprafață specifică de 10-15 metri pătrați pe gram. Cu toate acestea, în timpul procesului de activare-desfășurat în mod obișnuit într-o atmosferă de abur oxidant la temperaturi cuprinse între 800 de grade și 1100 de grade -suprafața lor specifică crește la peste 1500 de metri pătrați pe gram.

 

Structura microporoasă a cărbunelui activat oferă un mijloc eficient de adsorbție, în timp ce mezoporii și macroporii sunt cruciali pentru canalele de transport molecular. Prin urmare, este imperativ ca cărbunele activ nu numai să aibă o suprafață internă foarte dezvoltată, ci să aibă și o rețea de pori cu diametre diferite care să permită accesul la această suprafață.

 

Morfologie – granulară sau peletizată?

Cărbunele activat este disponibil fie sub formă granulară, fie sub formă de peletizat extrudat. Cărbunele activat granular este, în general, opțiunea-cel mai rentabilă, dar tinde să se împacheteze și să formeze zone dense. Aceste zone creează căderi de presiune mai mari și spații moarte în patul de carbon, ceea ce duce la canalizare în cazul în care gazul curge de preferință prin căi cu-permeabilitate ridicată. Adsorbția și regenerarea neuniformă pe întregul strat de carbon vor avea un impact negativ asupra performanței generale a unității de recuperare a vaporilor (VRU).

 

Cărbunele activ peletizat este produs prin amestecarea pulberii de cărbune activ cu un liant și extrudarea amestecului în forme cilindrice. Este considerată alegerea superioară pentru VRU, deoarece este mai puțin predispus la împachetare și formare de zone moarte. În aplicațiile VRU, cărbunele activ peletizat are de obicei un diametru de 4 milimetri. În mod critic, cărbunele activ de diferite diametre nu trebuie amestecat, deoarece acest lucru va duce la o strângere mai strânsă și o cădere de presiune mai mare pe patul de carbon.

 

Capacitate și absorbție reziduală

Capacitatea de adsorbție se referă la masa de compuși organici volatili (COV) care pot fi adsorbiți suplimentar pe unitate de masă de cărbune activ. Cărbunele activ proaspăt are de obicei o capacitate de 30% din greutate, ceea ce înseamnă că 1 kilogram de carbon poate adsorbi 0,3 kilograme de COV înainte de a ajunge la saturația completă. Pentru a restabili complet carbonul la capacitatea sa originală, este necesară reactivarea cu abur la 1000 de grade. Cu toate acestea, acest proces provoacă o uzură semnificativă a carbonului, o proporție substanțială a carbonului fiind pierdută sub formă de praf. Având în vedere imposibilitatea sa în sistemele ciclice, se folosește în schimb o metodă mai blândă de regenerare în vid. Prin regenerarea în vid, capacitatea-pe termen lung (cunoscută și ca „capacitate de lucru”) a cărbunelui activ pe bază de-minerale este de obicei de aproximativ 8% din greutate. Diferența dintre capacitatea proaspătă și capacitatea de lucru este denumită „adsorbție reziduală”.

 

Căldura de adsorbție

Procesul de adsorbție este exotermic. În timpul funcționării ciclice normale a patului de carbon, căldura degajată crește temperatura cu aproximativ 10-20 de grade peste temperatura ambiantă. Unele hidrocarburi, cum ar fi cetonele și aldehidele, sunt mai reactive și pot provoca creșteri mai mari de temperatură în patul de carbon. Anumite tipuri de cărbune activ-în special cele derivate din lemn și coji de nucă de cocos-sunt mai susceptibile la „fuga termică” sau „puncte fierbinți”, care necesită închiderea VRU, purjarea acestuia cu gaz inert și răcirea lui sub supraveghere atentă. Când cărbunele activ proaspăt este expus pentru prima dată la vapori, acesta prezintă o reactivitate ridicată și generează căldură semnificativă. Temperatura din interiorul patului de carbon poate crește până la aproximativ 100 de grade, astfel încât punerea în funcțiune a carbonului proaspăt în VRU (cunoscută și sub numele de „preîncărcare”) trebuie efectuată de profesioniști instruiți.

 

Preocuparea cheie: evitarea prafului

Praful este o problemă critică de evitat, deoarece duce la pierderi de presiune, reduce capacitatea de adsorbție prin înfundarea porilor de suprafață, provoacă uzură excesivă a pompelor de vid și a pompelor de absorbție, blochează filtrele și se acumulează în rezervoarele de stocare a benzinei.

Este esențial ca fiecare lot de cărbune activat să fie supus testării în raport cu parametrii critici pentru funcționarea VRU, inclusiv conținutul de praf, uscăciunea, densitatea, dimensiunea particulelor, duritatea și capacitatea de lucru.

 

Asigurarea condițiilor optime de funcționare pentru cărbune activ

Într-un VRU proiectat corespunzător, durata de viață a cărbunelui activ variază de obicei între 10 și 20 de ani. Cu toate acestea, dacă designul VRU nu reușește să asigure condiții de funcționare favorabile pentru carbon, durata de viață a acestuia poate fi scurtată la 4 până la 5 ani.

 

Mișcarea în interiorul patului de carbon

În VRU, presiunea circulă între presiunea atmosferică și vidul profund de cel puțin patru ori pe oră. La începutul fiecărui ciclu de regenerare, pompa de vid funcționează la capacitate maximă pentru a reduce presiunea până la pragul de desorbție. După ce regenerarea este completă, presiunea trebuie egalată rapid pentru a readuce patul de carbon într-o stare pregătită pentru următorul ciclu de adsorbție. Cu excepția cazului în care patul de carbon este fixat în siguranță, această forță constantă de tragere și împingere va face ca particulele de carbon să se frece unele de altele și să se uzeze în praf. În mod clar, carbonul-de rezistență scăzută se va atrita mai repede, iar carbonul granular se va strânge mai strâns în aglomerări. Chiar și carbonul pe bază de-peleți pe bază de minerale tare se va uza treptat și va genera praf în timp. Pe lângă prevenirea mișcării carbonului, un-VRU bine proiectat ar trebui, de asemenea, să controleze și să minimizeze forțele (de vid și de egalizare a presiunii) care acționează asupra patului de carbon.

În mod obișnuit, pierderea de masă a carbonului din cauza generării de praf este cel mai important factor care afectează durata de viață a cărbunelui activ-și acest lucru poate fi aproape în întregime evitat printr-un proiect VRU adecvat.

 

Adsorbție reziduală pe termen lung{0}

După cum sa menționat mai devreme, adsorbția reziduală se referă la partea din capacitatea inițială de adsorbție care nu poate fi recuperată prin regenerare în vid. Poate fi vizualizat ca pori ocupați permanent de molecule de COV care nu pot fi îndepărtați prin vid. În orice sistem, adsorbția reziduală crește lent în timp, rezultând o scădere treptată a capacității de lucru. Ar trebui anticipată o reducere anuală a capacității de câteva puncte procentuale. VRU-urile bine-proiectate încorporează o marjă inițială de siguranță pentru a compensa acest declin. Ca parte a unui program de întreținere VRU solid, probele de carbon ar trebui, de asemenea, extrase și analizate periodic pentru a determina timpul optim de înlocuire a carbonului cu mult înainte.

 

Parametru	Cerință țintă	Selecția optimă
Distribuția fluxului de carbon	Distribuția uniformă a fluxului oferă cea mai lungă durată de viață, cea mai mică cădere de presiune și capacitatea totală maximă a VRU.	Carbon peletizat cu diametrul de 4 mm
Praf	Conținut inițial scăzut de praf	Carbon care a fost supus curățării profunde și testelor frecvente de eșantionare în lot
Rezistență mecanică	Carbonul rigid, cu duritate ridicată-rezistă fragmentării în praf și degradare, asigurând o durată lungă de viață	Carbon-mineral, de înaltă calitate-, cu duritate/indice de uzură definit
Capacitate de lucru	Suficient de ridicat pentru a asigura o eficiență bună-pe termen lung a VRU, dar nu excesiv de mare (deoarece aceasta crește riscul de evadare termică)	Carbon-mineral cu înregistrări complete de-capacitate de lucru pe termen lung
Densitate	Cantitatea de carbon este întotdeauna specificată în funcție de greutate, dar variațiile semnificative ale densității fac din acesta un factor cheie atunci când se calculează dimensiunile recipientului de carbon	Capacitatea de lucru trebuie corelată cu densitatea; trebuie verificată densitatea în vrac uscată a fiecărui lot
Cădere scăzută de presiune	Carbon care nu se împachetează cu ușurință în pâlcuri dense	Carbon peletizat cu diametrul de 4 mm
Temperatura de siguranță/autoaprindere	Temperatura mai mare de autoaprindere oferă o marjă de siguranță mai mare împotriva evaporării termice în patul de carbon.	Mineral-based carbon with documented autoignition temperature >450 de grade
	Aglomerările dense au mai multe șanse să formeze puncte fierbinți	Carbonul peletizat este preferat față de carbonul granular

 

Selectarea cărbunelui activ optim pentru unitățile de recuperare a vaporilor

Atunci când alegeți cărbunele activ ideal pentru unitățile de recuperare a vaporilor (VRU), cele mai critice criterii includ:

Inundarea patului de carbon

Scufundarea cărbunelui activ în absorbant lichid provoacă daune ireversibile. Acest lucru ar trebui să fie prevenit prin instalarea de dispozitive adecvate de-detecție la nivel înalt la intrarea vaporilor și la turnul de absorbție.

Antrenarea aerosolilor în patul de carbon

Este esențial ca turnul de absorbție să fie echipat cu un eliminator de ceață și ca debitele prin pompa de vid și turnul de absorbție să fie controlate pentru a evita antrenarea aerosolilor în patul de carbon-aceasta va provoca daune ireversibile carbonului activat.