Aplicações de carvão ativado na recuperação de vapor

Durante décadas, a recuperação de vapor de hidrocarbonetos tem sido um processo indispensável nas operações de carregamento de combustível. Desde a instalação-em grande escala de unidades de recuperação de vapor (VRUs) na década de 1990, a tecnologia baseada na adsorção de carvão ativado seguida de regeneração a vácuo emergiu como amelhor tecnologia disponível (BAT)para a grande maioria das aplicações. Estima-se que mais de 95% dos VRUs recém-construídos em todo o mundo adotem este processo. Quando projetado adequadamente, o sistema de-carvão ativado regenerado a vácuo apresenta alta eficiência,{4}}benefício, segurança e extrema confiabilidade-mesmo com requisitos mínimos de manutenção.

 

 

Descrição do Processo

O vapor a ser tratado em um VRU é uma mistura de ar e compostos orgânicos voláteis (VOCs), normalmente contendo20-50% de COV por volume. As moléculas de VOC consistem em compostos mais leves evaporados durante o carregamento de gasolina, petróleo bruto ou produtos similares. O vapor passa por um leito de carvão ativado, que apresenta uma enorme área superficial composta por milhões de poros. O carvão ativado pode ser visualizado como um"esponja molecular", onde os componentes do VOC aderem às paredes dos poros através de forças intermoleculares fracas conhecidas comoforças de van der Waals. Nenhuma alteração química ocorre no carvão ativado ou nas moléculas de VOC durante esse processo de adsorção. Graças à elevada capacidade de adsorção do carvão ativado, as emissões de hidrocarbonetos dos VRUs podem ser reduzidas a níveis extremamente baixos.

 

Um VRU compreende dois ou mais leitos de carvão ativado operando em ummodo de ciclo de adsorção/regeneração, com cada ciclo durando normalmente de 10 a 15 minutos. Durante a fase de regeneração, uma bomba de vácuo reduz a pressão dentro do leito de carbono para40-80 milibares. Essa baixa pressão altera o equilíbrio, interrompendo as forças fracas entre os VOCs e o carvão ativado e permitindo que as moléculas de VOC saiam do leito de carbono através da bomba de vácuo como um fluxo de gás de alta-concentração (95% de VOCs e 5% de ar por volume). A corrente de gás flui em contracorrente através de umtorre de absorçãoonde entra em contato com um absorvente (geralmente gasolina nova), e os componentes VOC são assim absorvidos pelo absorvente novo. O ar que sai da torre de absorção, ainda saturado com vestígios de VOCs, é reciclado misturando-se com o gás de alimentação carregado de VOC-que entra no leito de carbono de adsorção. Isso cria um pequeno loop interno comzero emissões.

Carvão Ativado

As matérias-primas comumente usadas são as séries Yuanli GRP e HEM. Esse carvão ativado apresenta excelente capacidade de adsorção e sua resistência mecânica deve ser garantida para evitar geração excessiva de poeira.

 

As matérias-primas já possuem um certo grau de porosidade e uma área superficial específica de 10–15 metros quadrados por grama. No entanto, durante o processo de ativação-normalmente realizado em uma atmosfera de vapor oxidante em temperaturas que variam de 800 graus a 1.100 graus -sua área de superfície específica aumenta para mais de 1.500 metros quadrados por grama.

 

A estrutura microporosa do carvão ativado fornece um meio eficaz de adsorção, enquanto os mesoporos e macroporos são cruciais para os canais de transporte molecular. Portanto, é imperativo que o carvão ativado não apenas tenha uma superfície interna altamente desenvolvida, mas também apresente uma rede de poros com diâmetros variados que possibilitem o acesso a essa superfície.

 

Morfologia – Granular ou Peletizada?

O carvão ativado está disponível na forma granular ou na forma peletizada extrusada. O carvão ativado granular geralmente é a opção-mais econômica, mas tende a se acumular e formar zonas densas. Essas zonas criam quedas de pressão maiores e espaços mortos dentro do leito de carbono, levando à canalização onde o gás flui preferencialmente através de caminhos de alta{3}}permeabilidade. A adsorção e regeneração desiguais em todo o leito de carbono terão um impacto negativo no desempenho geral da Unidade de Recuperação de Vapor (VRU).

 

O carvão ativado peletizado é produzido misturando pó de carvão ativado com um aglutinante e extrusando a mistura em formas cilíndricas. É amplamente considerado como a escolha superior para VRUs porque é menos propenso a empacotar e formar zonas mortas. Em aplicações VRU, o carvão ativado peletizado normalmente tem um diâmetro de 4 milímetros. Criticamente, carvão ativado de diâmetros diferentes não deve ser misturado, pois isso resultará em um empacotamento mais apertado e maior queda de pressão no leito de carbono.

 

Capacidade e adsorção residual

A capacidade de adsorção refere-se à massa de Compostos Orgânicos Voláteis (VOCs) que podem ser adicionalmente adsorvidos por unidade de massa de carvão ativado. O carvão ativado fresco normalmente tem uma capacidade de 30% em peso, o que significa que 1 quilograma de carbono pode adsorver 0,3 quilograma de VOCs antes de atingir a saturação total. Para restaurar totalmente o carbono à sua capacidade original, é necessária a reativação com vapor a 1000 graus. No entanto, este processo causa desgaste significativo do carbono, com uma proporção substancial do carbono sendo perdida na forma de poeira. Dada a sua impraticabilidade em sistemas cíclicos, um método de regeneração a vácuo mais suave é empregado. Por meio da regeneração a vácuo, a capacidade-de longo prazo (também conhecida como "capacidade de trabalho") do carvão ativado-mineral é normalmente de cerca de 8% em peso. A diferença entre a capacidade fresca e a capacidade de trabalho é referida como "adsorção residual".

 

Calor de Adsorção

O processo de adsorção é exotérmico. Durante a operação cíclica normal do leito de carbono, o calor liberado aumenta a temperatura em aproximadamente 10–20 graus acima da temperatura ambiente. Alguns hidrocarbonetos, como cetonas e aldeídos, são mais reativos e podem causar aumentos de temperatura mais elevados no leito de carbono. Certos tipos de carvão ativado-particularmente aqueles derivados de madeira e cascas de coco-são mais suscetíveis a "fugas térmicas" ou "pontos quentes", que exigem desligar o VRU, purgá-lo com gás inerte e resfriá-lo sob supervisão rigorosa. Quando o carvão ativado fresco é exposto pela primeira vez aos vapores, ele exibe alta reatividade e gera calor significativo. A temperatura dentro do leito de carbono pode subir até cerca de 100 graus, portanto o comissionamento de carbono fresco em VRUs (também conhecido como “pré-carregamento”) deve ser realizado por profissionais treinados.

 

Preocupação Principal: Evitar Poeira

A poeira é um problema crítico a ser evitado, pois leva a perdas por queda de pressão, reduz a capacidade de adsorção ao obstruir os poros superficiais, causa desgaste excessivo em bombas de vácuo e bombas de absorção, bloqueia filtros e se acumula em tanques de armazenamento de gasolina.

É essencial que cada lote de carvão ativado seja submetido a testes em relação a parâmetros críticos para a operação do VRU, incluindo teor de poeira, secura, densidade, tamanho de partícula, dureza e capacidade de trabalho.

 

Garantindo condições operacionais ideais para carvão ativado

Em um VRU adequadamente projetado, a vida útil do carvão ativado normalmente varia de 10 a 20 anos. Contudo, se o projeto do VRU não garantir condições operacionais favoráveis ​​para o carbono, sua vida útil poderá ser reduzida para apenas 4 a 5 anos.

 

Movimento dentro do leito de carbono

Nos VRUs, a pressão alterna entre a pressão atmosférica e o vácuo profundo pelo menos quatro vezes por hora. No início de cada ciclo de regeneração, a bomba de vácuo funciona a plena capacidade para reduzir a pressão até ao limiar de dessorção. Após a regeneração estar completa, a pressão deve ser rapidamente equalizada para retornar o leito de carbono a um estado pronto para o próximo ciclo de adsorção. A menos que o leito de carbono esteja firmemente fixado, esta força constante de puxar e empurrar fará com que as partículas de carbono se esfreguem umas nas outras e se transformem em pó. Claramente, o carbono-de baixa resistência se atritará mais rapidamente e o carbono granular se acumulará mais firmemente em aglomerados. Mesmo o carbono peletizado de base-mineral irá desgastar-se gradualmente e gerar poeira ao longo do tempo. Além de impedir o movimento do carbono, um VRU bem{8}}projetado também deve controlar e minimizar as forças (vácuo e equalização de pressão) que atuam no leito de carbono.

Normalmente, a perda de massa de carbono devido à geração de poeira é o fator mais importante que afeta a vida útil do carvão ativado-e isso pode ser quase totalmente evitado por meio de um projeto adequado de VRU.

 

Adsorção residual-de longo prazo

Conforme observado anteriormente, a adsorção residual refere-se à porção da capacidade de adsorção inicial que não pode ser recuperada através da regeneração a vácuo. Pode ser visualizado como poros permanentemente ocupados por moléculas de VOC que não podem ser removidas pelo vácuo. Em qualquer sistema, a adsorção residual aumenta lentamente ao longo do tempo, resultando num declínio gradual na capacidade de trabalho. Deve ser prevista uma redução anual da capacidade de alguns pontos percentuais. VRUs-bem projetados incorporam uma margem de segurança inicial para compensar esse declínio. Como parte de um programa sólido de manutenção de VRU, amostras de carbono também devem ser extraídas e analisadas periodicamente para determinar com bastante antecedência o tempo ideal de substituição de carbono.

 

Parâmetro	Requisito de meta	Seleção ideal
Distribuição de fluxo de leito de carbono	A distribuição de fluxo uniforme proporciona vida útil mais longa, menor queda de pressão e capacidade geral máxima do VRU.	Carbono peletizado com 4mm de diâmetro
Pó	Baixo teor inicial de poeira	Carbono que passou por limpeza profunda e testes frequentes de amostragem em lote
Resistência Mecânica	Carbono rígido e de alta{0}}dureza resiste à fragmentação em poeira e degradação, garantindo longa vida útil	Carbono de-base mineral de alta-qualidade com índice de dureza/desgaste definido
Capacidade de trabalho	Suficientemente alto para garantir uma boa eficiência-de longo prazo do VRU, mas não excessivamente alto (pois isso aumenta o risco de fuga térmica)	Carbono-de base mineral com registros completos de capacidade de trabalho-de longo prazo
Densidade	A quantidade de carbono é sempre especificada por peso, mas variações significativas de densidade tornam este um fator chave no cálculo das dimensões do recipiente de carbono	A capacidade de trabalho deve estar correlacionada com a densidade; a densidade aparente seca de cada lote deve ser verificada
Baixa queda de pressão	Carbono que não se acumula facilmente em aglomerados densos	Carbono peletizado com 4mm de diâmetro
Temperatura de segurança/autoignição	A temperatura de autoignição mais alta proporciona uma margem de segurança maior contra fuga térmica no leito de carbono.	Mineral-based carbon with documented autoignition temperature >450 graus
	Aglomerados densos têm maior probabilidade de formar pontos quentes	O carbono peletizado é preferível ao carbono granular

 

Selecionando o carvão ativado ideal para unidades de recuperação de vapor

Ao escolher o carvão ativado ideal para Unidades de Recuperação de Vapor (VRUs), os critérios mais críticos incluem:

Inundação de leito de carbono

Submergir carvão ativado em absorvente líquido causa danos irreversíveis. Isso deve ser evitado com a instalação de dispositivos de detecção de alto-nível apropriados na entrada de vapor e na torre de absorção.

Arrastamento de aerossol no leito de carbono

É fundamental que a torre de absorção esteja equipada com um eliminador de névoa e que as taxas de fluxo através da bomba de vácuo e da torre de absorção sejam controladas para evitar o arrastamento de aerossóis no leito de carbono-isso causará danos irreversíveis ao carvão ativado.