활성탄 흡착 증기 회수 장치의 이상 온도 상승 분석 및 예방 조치 1

연구 결과에 따르면 활성탄의 비정상적인 온도 상승은 주로 다음 세 단계로 구분되는 연쇄 반응 메커니즘을 통해 전개됩니다.

① 흡착열 축적: 고농도 오일/가스 흡착 및 황화물 산화에 의해 물리적 흡착열이 화학적 흡착/반응열과 결합됩니다.-

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, >코코넛 껍질 탄소의 경우 300°C).

3.1 활성탄 특성의 변화

활성탄 특성의 변화는 비정상적인 온도 상승에 기여하는 핵심 요소입니다. 장기간 사용하면 활성탄은 노화되어 비표면적 감소, 기공 구조 변경 및 표면 화학 변화로 나타날 수 있습니다. 이러한 변경은 흡착열을 증가시켜 온도 상승을 유발할 수 있습니다. 또한 활성탄은 작동 중에 탈착이 어려운-물질을 흡착할 수 있습니다.- 이러한 물질의 축적은 발열 반응을 촉진하여 온도 상승을 더욱 악화시킬 수 있습니다. 포화 활성탄을 신속하게 교체하지 않으면 흡착 효율이 저하되어 비정상적인 온도 상승 위험이 높아질 수 있습니다.

3.2 탄화수소 성분의 영향

다양한 탄화수소 성분은 다양한 흡착 엔탈피와 반응성을 나타냅니다. 특정한-비등점-점이 높은 고분자 탄화수소는 탈착하기 어려울 수 있습니다. 연구에 따르면 C8보다 긴 탄소 사슬을 가진 탄화수소는 활성탄 표면에서 상당히 높은 탈착 에너지 장벽을 나타내어 누적 흡착 엔탈피를 발생시키는 것으로 나타났습니다. 또한, 오일 및 가스에 존재하는 황화물 및 올레핀과 같은 반응성 불순물은 활성탄 표면에서 산화 또는 중합과 같은 발열 반응을 거쳐 온도가 상승할 수 있습니다. 이러한 요인들의 결합된 효과는 활성탄층의 비정상적인 온도 상승을 초래할 수 있습니다.

3.3 부적절한 작동 매개변수

잘못된 작동 매개변수 설정은 비정상적인 온도 상승을 유발하는 또 다른 중요한 요인입니다. 입구 가스 농도가 지나치게 높으면 흡착열이 집중적으로 방출되어 국부적인 과열이 발생할 수 있습니다. 입구 가스 속도가 지나치게 높으면 열 축적이 가속화될 수 있습니다. 입구 가스 온도가 지나치게 높으면 베드 온도가 직접 상승하여 비정상적인 가열 위험이 증가합니다. 탈착 온도 및 지속 시간을 부적절하게 제어하면

활성탄 표면에 고-비등점-물질이 과도하게 잔류하여 후속 흡착 과정에서 발열 반응이 증가합니다. 또한, 무리한 사이클 설정은 열 축적으로 이어져 비정상적인 온도 상승을 초래할 수 있습니다.

3.4 장비 설계 결함

장비 설계 결함으로 인해 비정상적인 온도 상승이 발생할 수도 있습니다. 흡착 탱크의 내부 구조 설계가 부적절하면 가스 분포가 고르지 않아 국부적인 과열이 발생할 수 있습니다. 부적절한 방열 시스템 설계로 인해 흡착열을 신속하게 제거하지 못해 온도가 상승할 수 있습니다. 온도 모니터링 포인트를 부적절하게 배치하면 활성탄 베드의 실제 온도가 부정확하게 반영되어 잠재적으로 온도 이상 현상을 적시에 감지하지 못하고 시정 조치가 지연되며 열 축적 및 온도 상승이 발생할 수 있습니다.

4 활성탄 흡착조의 이상온도 상승 예방 및 제어 전략

남부 지역의 여름 기온이 높은 석유 저장소, 정유소에서 직접 석유/가스 공급, 흡수 장치 온도 상승 및 거의 포화된 석유/가스 처리 용량의 경우 흡수 장치 온도와 흡착 탱크 및 흡수 장치에 유입되는 석유/가스 온도를 낮추기 위한 조치를 취해야 합니다. 이는 활성탄의 비정상적인 온도 상승을 억제하는 것을 목적으로 합니다. 이 접근 방식은 응축과 같은 결합 공정을 일시적으로 제외하고 기존 활성탄 흡착 공정을 약간 수정하는 데 중점을 둡니다. 구체적인 수정 사항에는 사전-흡착 탱크 유입 라인, 진공 펌프 배출구/사전-흡수 타워 유입 라인 및 흡수제 저장 탱크의 사전-분무 타워 라인에 스프레이 시스템, 수-냉각 장비 또는 반사/단열재 설치가 포함됩니다. 이는 흡착 탱크로 유입되는 오일 및 가스의 온도를 낮추어 열 축적을 최소화합니다. 동시에 흡수기 온도를 낮추면 흡수 효율이 향상되고 고농도 유증기가-재흡착 및 열 방출을 위해 흡착 탱크로 다시 유입되는 것을 방지하여 활성탄 온도 상승을 제어할 수 있습니다.

4.2 흡착제 선택 및 최적화

처리되는 실제 유증기 조성을 기준으로 적절한 기공 크기 분포와 표면 화학을 갖춘 활성탄을 선택하십시오. 노화로 인한 비정상적인 온도 상승 위험을 방지하려면 정기적으로 활성탄을 교체하거나 재생하십시오. 고온 저항성을 강화하려면 표면-개질 또는 촉매{3}}도핑된 활성탄을 사용하는 것이 좋습니다.- 흡착열을 제어하기 위해 다양한 흡착제를 복합적으로 적용하는 연구에 중점을 두고 있습니다. 예를 들어, 실험을 통해 실리카겔-활성탄 복합층이 흡착열을 35% 감소시키고 C6~C12 탄화수소의 파과 시간을 20% 연장한다는 사실이 확인되었습니다. 실리카겔은 견고한 무정형 사슬- 및 네트워크-구조의 실리카 폴리머 입자로 구성됩니다. 기공 크기 분포가 균일하지 않고 넓은 범위에 걸쳐 있어 활성탄과 유사한 특성을 갖습니다. 이러한 유사성은 실리카겔이 유기 가스 흡착 응용 분야에서 활성탄에 필적하는 성능을 나타냄을 결정합니다. 성숙한 소수성 실리카겔은 소수성, 비{18}}인화성 및 정전기 방지 특성을 나타냅니다.- 흡착제로 사용하면 오일 및 가스 흐름에 포함된 수증기를 흡착하지 않으며 흡착 과정에서 열을 발생시키지 않습니다. 구체적으로, 실리카겔의 바닥층은 활성탄의 상부층으로 채워질 수 있다. 한편, 실리카겔은 고농도의 오일 및 가스 흐름에 대해 우수한 흡착 성능을 보여주며, 활성탄에 비해 흡착 중 열 방출이 상당히 낮습니다. 반면, 활성탄은 저-농도의 오일 및 가스에 대해 우수한 흡착 성능을 나타내며 흡착 시 열 발생을 최소화합니다. 고농도 오일 및 가스를 흡착하기 위해 하부층에 실리카겔을 사용하고, 저농도 오일 및 가스를 위해 상부층에 활성탄을 사용하면 두 흡착제[1]의 흡착 특성을 최적으로 활용하고 공정 관점에서 흡착열 발생을 줄입니다.

4.3 흡착조 설계 최적화

비정상적인 온도 상승을 방지하려면 정제 흡착조 설계가 중요합니다. 주요 조치에는 다음이 포함됩니다. 유지 관리 및 교체가 용이하도록 모듈형 설계를 채택합니다. 균일한 가스 분배를 보장하기 위해 내부 탱크 구조를 개선합니다. 열 제거 효율을 높이기 위해 열 방출 시스템을 강화합니다. 전체 활성탄 베드에 대한 포괄적인 모니터링을 달성하기 위해 온도 모니터링 지점을 전략적으로 배치합니다. 분할된 흡착 탱크 설계를 권장합니다. 이 접근 방식은 흡착 열을 여러 단계에 분산시켜 탱크당 열 부하를 줄입니다.

저자의 회사에서 활성탄 흡착유 및 가스 회수 장치를 운영한 경험을 바탕으로 활성탄 장치의 비정상적인 온도 상승은 지속적으로 처리량 증가로 인해 발생합니다. 활성탄 사용량을 늘리기 위해 탱크 용량을 늘리면 단위 용량이 늘어나는 반면, 이러한 설계는 흡착 탱크당 열 부하를 증가시켜 안정적인 작동을 저하시킵니다. 대신 용량을 늘리기 위해 흡착 탱크 수를 늘리는 것이 좋습니다. 이 접근 방식은 탱크당 열부하를 줄이고 탱크 회전을 가능하게 하여 보다 철저한 탈착이 가능하고-장기적으로 안정적인 작동을 촉진합니다.

4.4 작동 매개변수 최적화

(1) 과도하게 높은 농도나 온도로 인한 과열을 방지하기 위해 실제 작동 조건을 기반으로 입구 가스 농도 및 온도를 최적화합니다.

(2) 장기간 정체를 방지하기 위해 흡수제(가솔린)의 회전율을 높입니다. 장기간의 정체는 가벼운 성분의 비율을 증가시키고 흡수제 내 온도를 상승시켜 흡수 효율을 감소시킵니다. 이는 흡수되지 않은 고온-, 고농도 오일 증기가-흡착 탱크로 다시 유입되어 장치의 부하 압력을 증가시키고 지속적인 열 축적을 유발합니다.

(3) 완전한 탈착을 보장하기 위해 탈착 온도와 지속 시간을 합리적으로 제어합니다.

(4) 사이클 기간을 최적화하여 흡착 및 탈착 과정의 균형을 맞추고 열 축적을 방지합니다.

(5) 이상 징후를 신속하게 감지하고 해결하기 위해 포괄적인 모니터링 및 조기 경보 시스템을 구축합니다.

4.5 새로운 흡착소재 개발

새로운 흡착 재료를 개발하는 것은 -비정상적인 온도 상승 문제에 대한 장기적인 해결책을 의미합니다. 연구는 금속{2}}유기 프레임워크(MOF) 및 공유 유기 프레임워크(COF)와 같이 향상된 열 안정성과 선택성을 갖춘 흡착제 개발에 중점을 두어야 합니다. 온도 제어를 위해 열-흡수 특성을 활용하기 위해 상변화 물질(PCM)을 흡착 베드에 통합하는 방법을 알아보세요. 시스템의 열 관리 기능을 향상시키기 위해 자체 냉각 복합 재료를 개발합니다.-

석유 및 가스 회수 장치 내 활성탄의 비정상적인 온도 상승은 주로 탄소 특성의 변화, 탄화수소 구성 요소의 영향, 부적절한 작동 매개변수 및 장비 설계 결함으로 인해 발생합니다. 이러한 원인을 해결하기 위해 예방 전략에는 활성탄 선택 최적화, 정제 장비 설계, 작동 매개변수 개선 및 새로운 흡착제 개발이 포함되어야 합니다. 이번 연구 결과는 석유 및 가스 회수 시스템의 안전성과 효율성을 향상시키는 데 중요한 의미를 갖습니다. 비정상적인 온도 상승 위험을 효과적으로 완화하고 장비 수명을 연장하며 석유 및 가스 회수 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 향후 연구는 석유 및 가스 회수 시스템의 성능과 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해 새로운 흡착제를 개발 및 적용하고 지능형 모니터링 및 조기 경보 시스템을 구축하는 데 중점을 두어야 합니다.