Dengan semakin ketatnya peraturan lingkungan dan meningkatnya kesadaran masyarakat akan perlindungan lingkungan, pentingnya teknologi pemulihan uap dalam industri petrokimia menjadi semakin menonjol. Adsorpsi karbon aktif, sebagai teknologi pemulihan uap yang efisien dan ekonomis, telah banyak diterapkan di berbagai bidang seperti fasilitas penyimpanan minyak. Namun, selama pengoperasian sebenarnya, kenaikan suhu abnormal pada tangki adsorpsi karbon aktif sering terjadi, sehingga menimbulkan ancaman serius terhadap keselamatan pengoperasian sistem dan efisiensi pemulihan, sehingga memerlukan penyelesaian segera. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki secara menyeluruh penyebab kenaikan suhu abnormal pada sistem pemulihan uap adsorpsi karbon aktif dan mengusulkan strategi pencegahan dan pengendalian yang efektif untuk memberikan referensi bagi desain yang optimal dan pengoperasian sistem pemulihan uap yang aman.
1 Ikhtisar Perangkat Pemulihan Uap Adsorpsi Karbon Aktif
Adsorpsi karbon aktifperangkat pemulihan uapterutama memanfaatkan efisiensi adsorpsi tinggi karbon aktif untuk menyerap dan memulihkan senyawa organik yang mudah menguap (VOC). Karena keunggulan teknologi adsorpsi karbon aktif dalam perangkat pemulihan uap, seperti efisiensi adsorpsi yang tinggi, kemampuan beradaptasi yang kuat, kelayakan ekonomi, dan pengoperasian yang stabil, teknologi ini diterapkan secara luas di fasilitas penyimpanan minyak jadi, sehingga menghasilkan manfaat lingkungan dan ekonomi yang signifikan.
1.1 Alur Proses
Minyak adsorpsi karbon aktifsistem pemulihan uapterutama terdiri dari sistem pra-perawatan (filter, pendingin, dll.), sistem adsorpsi (tangki adsorpsi, lapisan lapisan karbon aktif, sistem saluran masuk, dll.), sistem desorpsi (pompa vakum, dll.), sistem pemulihan (menara scrubber, dll.), dan sistem kontrol (PLC, sensor, dan instrumen, dll.).
1) Gas buang masuk ke sistem pretreatment, dimana gas tersebut disaring dan didinginkan sebelum masuk ke sistem adsorpsi.
(2) Gas buang memasuki sistem adsorpsi, di mana VOC diserap oleh karbon aktif di lapisan adsorpsi, dan gas yang dimurnikan dikeluarkan.
(3) Gas buang memasuki sistem desorpsi. Ketika karbon aktif mencapai saturasi adsorpsi, ia beralih ke mode desorpsi untuk mendesorbsi VOC.
(4) Gas buang memasuki sistem pemulihan, tempat gas VOC konsentrasi tinggi setelah desorpsi dipulihkan.
(5) Sistem kontrol sistem memantau dan menyesuaikan parameter secara-waktu nyata di seluruh tahapan untuk memastikan pengoperasian sistem yang efisien dan stabil.
1.2 Prinsip Kerja
Prinsip kerja inti dari sistem pemulihan uap minyak adsorpsi karbon aktif adalah dengan mengadsorpsi campuran uap minyak secara selektif menggunakan karbon aktif, memisahkan VOC dari gas buang, dan kemudian memulihkan VOC konsentrasi tinggi melalui proses desorpsi. Prosesnya terutama terdiri dari tahap adsorpsi, desorpsi, dan pemulihan.
(1) Tahap adsorpsi.
Berdasarkan struktur fisik dan kimia karbon aktif yang unik, yang memungkinkan penangkapan dan fiksasi kotoran dalam gas (seperti senyawa organik dan molekul bau), ketika gas buang yang mengandung VOC melewati lapisan karbon aktif setelah penyaringan dan pendinginan, karbon aktif secara efektif menyerap molekul VOC, dan gas yang dimurnikan dibuang sesuai dengan standar. Mekanisme inti adsorpsi karbon aktif dapat dibagi menjadi dua jenis: adsorpsi fisik dan adsorpsi kimia. Adsorpsi fisik dicapai melalui gaya van der Waals antar molekul. Molekul adsorbat
(seperti VOC, pigmen, dll.) ditangkap oleh struktur berpori dan luas permukaan spesifik karbon aktif yang besar. Adsorpsi kimia didominasi oleh reaksi permukaan. Molekul adsorbat membentuk ikatan kimia (seperti ikatan kovalen, ikatan hidrogen, atau pertukaran ion) dengan gugus fungsi pada permukaan karbon aktif, biasanya diamati pada adsorpsi molekul polar (seperti ion logam berat atau gas asam). Polutan utama di fasilitas penyimpanan minyak bumi adalah VOC, yang didominasi oleh adsorpsi fisik, namun adsorpsi kimia tidak boleh diabaikan, terutama dalam kondisi-suhu tinggi atau dengan adanya gugus fungsi tertentu.
(2) Tahap desorpsi.
Setelah karbon aktif mencapai saturasi adsorpsi, proses desorbsi zat teradsorpsi dari permukaan karbon aktif menggunakan metode fisik atau kimia merupakan langkah penting untuk regenerasi dan penggunaan kembali karbon aktif. Metode umum termasuk desorpsi termal, desorpsi tekanan, dan desorpsi perpindahan. Desorpsi tekanan umumnya digunakan di fasilitas penyimpanan minyak bumi. Hal ini melibatkan pengurangan tekanan sistem dengan menggunakan peralatan seperti pompa vakum untuk mengurangi jumlah adsorbat pada permukaan karbon aktif. Ketika tekanan diturunkan, kesetimbangan adsorpsi terganggu, dan molekul adsorbat terdesorpsi dari zat yang diaktifkan
permukaan karbon.
(3) Tahap pemulihan.
Gas VOC dengan konsentrasi{0}}tinggi setelah desorpsi memasuki sistem pemulihan, yang kemudian dapat diperoleh kembali menggunakan metode seperti penyerapan, kondensasi, atau pemisahan membran untuk mengurangi pencemaran lingkungan dan pemborosan sumber daya. Penyerapan fisik biasanya digunakan di fasilitas penyimpanan minyak jadi, di mana gas VOC dengan konsentrasi tinggi bersentuhan dengan penyerap. Pemisahan tersebut dilakukan dengan memanfaatkan perbedaan kelarutan VOC dalam penyerap (misalnya bensin), menyebabkan VOC larut ke dalam penyerap.
2 Kenaikan suhu karbon aktif yang tidak normal dan bahayanya
Kisaran suhu pengoperasian normal untuk karbon aktif biasanya 40–60 derajat. Dalam kisaran suhu ini, karbon aktif mempertahankan kapasitas adsorpsi yang tinggi dan laju adsorpsi yang cepat. Namun, dalam penggunaan sebenarnya,
suhu lapisan karbon aktif dapat secara signifikan melebihi suhu pengoperasian normal. Berdasarkan luas dan laju kenaikan suhu, kenaikan suhu abnormal dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis: kenaikan suhu lambat dan kenaikan suhu cepat. Kenaikan suhu yang lambat sering kali disebabkan oleh penuaan karbon aktif atau akumulasi sisa-sisa pengotor, biasanya bermanifestasi sebagai suhu lapisan lapisan karbon aktif yang meningkat secara bertahap dengan laju 1–3 derajat/jam, yang berpotensi mencapai tingkat berbahaya dalam hitungan jam atau hari; Kenaikan suhu yang cepat sering kali disebabkan oleh konsentrasi panas adsorpsi yang terlokalisasi atau reaksi eksotermik yang tidak terkendali (seperti polimerisasi olefin atau oksidasi senyawa sulfur), yang ditandai dengan peningkatan suhu lebih dari 10 derajat dalam hitungan menit, dan kenaikan terus-menerus yang cepat, berpotensi mencapai tingkat berbahaya dalam hitungan menit atau jam.
Terlepas dari bentuk kenaikan suhu abnormal pada karbon aktif, bila suhu melebihi ambang batas tertentu, hal ini akan disertai dengan fenomena abnormal seperti penurunan kapasitas adsorpsi karbon aktif, fluktuasi tekanan lapisan, dan emisi gas buang yang berlebihan, bahkan dapat menyebabkan masalah keselamatan seperti pembakaran spontan. Bahaya tersebut terutama diwujudkan dalam tiga aspek berikut.
(1) Penurunan efisiensi operasional.
Kenaikan suhu menurunkan kapasitas adsorpsi karbon aktif. Menurut teori termodinamika adsorpsi, adsorpsi fisik merupakan proses eksotermik, dan kapasitas adsorpsi menurun seiring dengan meningkatnya suhu. Statistik data eksperimental menunjukkan bahwa untuk setiap kenaikan suhu lapisan sebesar 10 derajat, kapasitas adsorpsi karbon aktif untuk VOC seperti benzena dan toluena menurun sebesar 10% hingga 17%, yang dapat menyebabkan berkurangnya efisiensi pemulihan sistem dan bahkan melebihi standar emisi.
meningkatkan risiko dampak lingkungan hidup.
(2) Kerusakan peralatan.
Peningkatan suhu dapat menyebabkan panas berlebih yang terlokalisir pada tangki adsorpsi (misalnya, pada lapisan las), yang menyebabkan korosi tegangan termal, berkurangnya ketahanan terhadap tekanan, dan ketidakmampuan untuk mencapai tingkat vakum selama desorpsi, atau bahkan deformasi struktural dan retaknya tangki; selama desorpsi, uap minyak yang dipanaskan dari lapisan dasar dapat merusak pompa vakum; suhu melebihi 200 derajat dapat menyebabkan runtuhnya struktur mikropori karbon aktif, mengurangi luas permukaan spesifik sebesar 40%–
60%, dan penurunan nilai yodium hingga 400 mg/g, menyebabkan penonaktifan karbon aktif.
(3) Peningkatan risiko keselamatan.
Jika suhu lapisan lapisan melebihi titik penyalaan otomatis karbon aktif, hal ini dapat menyebabkan nyala api terbuka. Jika konsentrasi uap di dalam tangki mencapai batas ledakan, hal ini juga dapat menyebabkan kecelakaan deflagrasi. Perusahaan produksi dan penyimpanan bahan kimia berbahaya juga pernah mengalami kecelakaan serupa akibat kenaikan suhu karbon aktif yang tidak normal. Misalnya, pada tahun 2021, sebuah kilang mengalami kecelakaan karena pengaturan suhu desorpsi yang salah (disetel ke 180 derajat , dengan nilai desain 120 derajat ), menyebabkan suhu lapisan karbon aktif naik menjadi 250 derajat dalam waktu 3 jam, mengakibatkan retaknya tangki, kebocoran VOC sebesar 1,2 ton, dan kerugian ekonomi langsung melebihi
5 juta yuan. Pada tahun 2019, senyawa belerang terakumulasi dan teroksidasi pada permukaan karbon aktif di fasilitas penyimpanan minyak bumi, memicu pembakaran spontan di titik panas lokal bersuhu 310 derajat. Api menyebar ke tangki penyimpanan yang berdekatan, dan butuh waktu 72 jam untuk padam.
