Attualmente, il metodo di condensazione deve ancora affrontare alcune sfide tecniche durante il suo sviluppo, con un consumo di energia in aumento di oltre il 10% rispetto al raffreddamento con azoto liquido.
Da un lato, i costi delle attrezzature e le spese operative del metodo di condensazione sono relativamente elevati, soprattutto quando si mira a temperature di condensazione più basse per migliorare i tassi di recupero, il che aumenta significativamente il consumo di energia e ne limita l'applicazione su larga-scala. I metodi di condensazione meccanica hanno temperature di raffreddamento più elevate, rendendo difficile il rispetto degli standard sulle emissioni sempre più rigorosi. Sebbene i metodi di condensazione dell’azoto liquido offrano temperature di raffreddamento più basse, l’azoto liquido è costoso e il suo stoccaggio e trasporto comportano alcuni rischi per la sicurezza. D'altro canto, nelle applicazioni pratiche, è necessario migliorare l'adattabilità delle apparecchiature di condensazione alle diverse condizioni operative per il petrolio e il gas. Ad esempio, fluttuazioni significative nella composizione e nelle portate di petrolio e gas possono influenzare la stabilità dell’efficienza di recupero. In futuro, i metodi di condensazione si concentreranno sullo sviluppo di apparecchiature e processi di condensazione efficienti e a risparmio energetico-attraverso la ricerca su nuovi cicli di refrigerazione e tecnologie di scambiatori di calore ad alta-efficienza per ridurre i costi delle apparecchiature e il consumo energetico operativo. Nel campo dell’integrazione tecnologica, dovrebbero essere condotte ulteriori ricerche su come integrare in modo più ragionevole i metodi di condensazione con altre tecnologie di recupero di petrolio e gas per ottenere effetti sinergici e migliorare l’efficienza complessiva del recupero.
2.1.2
Metodo di assorbimento
Il metodo di adsorbimento utilizza la capacità di adsorbimento degli adsorbenti per separare i diversi componenti di una miscela. In questo processo, uno o più componenti vengono catturati dalla superficie dell'adsorbente e la separazione viene ottenuta attraverso l'adsorbimento delle molecole di olio e gas da parte dell'adsorbente. Il metodo di adsorbimento presenta i vantaggi di un processo semplice e di un basso consumo energetico [33]. Inoltre, questo metodo può recuperare efficacemente solventi organici e riciclare adsorbenti, dimostrando vantaggi significativi nella protezione dell’ambiente e nella conservazione delle risorse. L'adsorbimento è efficace per il trattamento di petrolio e gas a bassa-concentrazione, rendendolo più adatto all'uso nella fase a valle della lavorazione di petrolio e gas, dove può essere integrato con altre tecnologie per formare un sistema di trattamento completo.
Una ricerca approfondita-sulle caratteristiche degli adsorbenti è fondamentale per migliorare significativamente l'efficienza di adsorbimento. Attualmente, gli adsorbenti comunemente utilizzati includono carbone attivo, gel di silice, allumina attivata, setacci molecolari, setacci per l'analisi del carbonio e fibre di carbone attivo, ciascuno con le proprie caratteristiche uniche. Inoltre, sono stati condotti ricerca e sviluppo su alcuni materiali adsorbenti emergenti per ottenere di più
tecnologie di adsorbimento efficienti ed ecocompatibili. Huang Weiqiu et al. hanno esaminato le prestazioni di adsorbimento e le tecniche di modifica di diversi adsorbenti di petrolio e gas comunemente usati, tra cui carbone attivo, fibra di carbone attivo, zeolite idrofobica/setacci molecolari mesoporosi e gel di silice idrofobo. Hanno suggerito che la ricerca futura dovrebbe concentrarsi sullo sviluppo di nuovi adsorbenti, adsorbenti compositi e progettazione della struttura adsorbente. Xu Wei et al. hanno discusso sistematicamente l'applicazione della tecnologia di adsorbimento del carbone attivo nel trattamento dei COV, compreso l'adsorbimento con oscillazione di pressione, l'adsorbimento ad alta-temperatura, l'adsorbimento con oscillazione di temperatura-pressione e i metodi di adsorbimento elettrico. La modifica chimica superficiale degli adsorbenti può alterare la loro capacità di adsorbimento e selettività verso i COV. La corrispondenza tra la dimensione molecolare dell'adsorbato e la distribuzione della dimensione dei pori del carbone attivo è un fattore chiave che influenza l'efficienza di adsorbimento. I parametri di processo durante le operazioni di adsorbimento (temperatura, concentrazione di gas e portata), le condizioni ambientali (umidità, pressione) e la composizione del gas miscelato influenzano tutti in modo significativo il processo di adsorbimento. Xue Mengting et al. hanno descritto l'influenza di diverse configurazioni di setacci molecolari sull'adsorbimento dei COV nei gas di scarico. I setacci molecolari a configurazione cubica-mostrano le migliori prestazioni di adsorbimento per i COV, seguiti da quelli a configurazione esagonale-, mentre quelli a configurazione ortorombica o monoclina-mostrano prestazioni di adsorbimento generalmente medie. I setacci molecolari microporosi sono adatti per COV a piccole-molecole, mentre i setacci molecolari mesoporosi sono adatti per COV a-molecole grandi. Feng Yongchao ritiene che l'esclusiva struttura dei pori e il rapporto regolabile di silice-allumina dei setacci molecolari di tipo MFI- li rendano promettenti per le applicazioni di rimozione dei COV. Tuttavia, le sfide attuali includono il bilanciamento delle prestazioni di adsorbimento dei COV idrofobici con l'attività catalitica, nonché bassi tassi di carico e una facile disattivazione dovuta all'arricchimento di componenti attivi sulla superficie esterna del vettore. L'obiettivo è affrontare questi problemi progettando razionalmente la forma della presenza del metallo e modificando la composizione elementare del vettore.
Wang Yingxia et al. condizioni esplorate per modificare il gel di silice per migliorare l'efficienza di adsorbimento dei vapori di benzina e ridurre l'assorbimento di acqua. Hanno scoperto che utilizzando l’acido tartarico come modificatore, con una temperatura di trattamento termico di 550–650 °C e un tempo di trattamento di
3–10 h e una velocità di riscaldamento di 3–10 °C/min si possono ottenere risultati ottimali. Inoltre, la velocità di desorbimento del gel di silice modificato aumenta con una pressione di vuoto più elevata, una temperatura più elevata e un aumento dei cicli di desorbimento.
La tecnologia di rigenerazione degli agenti di adsorbimento svolge un ruolo cruciale nel migliorare la sostenibilità, l’efficienza economica e la compatibilità ambientale dei metodi di adsorbimento. Le tradizionali tecnologie di rigenerazione degli agenti di adsorbimento spesso presentano notevoli inconvenienti quali bassa efficienza, costi elevati e impatti ambientali. I ricercatori hanno condotto studi approfonditi sulle tecnologie di rigenerazione. Attualmente, i metodi comuni di rigenerazione del carbone attivo includono la rigenerazione termica, la rigenerazione ossidativa, l'estrazione con solventi, la rigenerazione biologica, la rigenerazione del fluido supercritico, la rigenerazione con irradiazione a microonde, la rigenerazione ad ultrasuoni e la rigenerazione fotocatalitica. Huang Weiqiu et al. ha scoperto che per il petrolio e il gas che assorbono carbone attivo, l'influenza di quattro fattori-potenza delle microonde, tempo di irradiazione, quantità di carbone attivo e pressione del vuoto-sull'efficienza e la perdita di rigenerazione diminuisce in quest'ordine. Le condizioni sperimentali ottimali sono state determinate come potenza delle microonde di 300 W, tempo di irradiazione di 240 s, quantità di carbone attivo di 4 g e pressione di vuoto di 0,06 MPa. Zhang Yuzhou [41] ha esaminato l'influenza di tre aspetti-le proprietà intrinseche del carbone attivo, diversi adsorbati e diverse condizioni di controllo-sulla rigenerazione a microonde, sottolineando che-è necessaria una ricerca approfondita su questi tre aspetti per far avanzare lo sviluppo della rigenerazione a microonde. Han Yingjie et al. ha riepilogato le caratteristiche di sviluppo della tecnologia del carbone attivo rigenerato a microonde-, identificando i fattori che influenzano il metodo di rigenerazione a microonde, tra cui la potenza delle microonde, l'atmosfera del gas di trasporto, il tempo di rigenerazione, il tipo di adsorbente e l'adsorbato.
Sun Xianhang et al. ha spiegato il meccanismo di rigenerazione della CO₂ supercritica del carbone attivo, riassumendo lo stato attuale della ricerca sul meccanismo di desorbimento dei COV da tre aspetti: pressione, temperatura e portata. Hanno identificato il meccanismo microscopico del desorbimento dei COV sotto l'azione della CO₂ supercritica e il modello di calcolo per i coefficienti di trasferimento di massa dei COV nel carbone attivo dopo il desorbimento. Li Yichen ha scoperto attraverso una ricerca comparativa che la tecnologia di rigenerazione accoppiata sotto vuoto a microonde-, che prevede un trattamento di desorbimento isotermico sotto vuoto a microonde intermittente- con un processo ciclico sotto vuoto di 4,5-minuti e un processo di rottura del vuoto con azoto di 0,5-minuti, è il metodo operativo di rigenerazione ottimale per il carbone attivo contenente olio-. Hu Minggang ha stabilito un modello di previsione del grigio multivariato del primo ordine. Questo modello è stato applicato per prevedere le prestazioni delle unità di recupero di petrolio e gas basate sull'adsorbimento, dimostrando una buona efficacia predittiva. Fornisce indicazioni importanti per determinare i tempi ottimali per la sostituzione del carbone attivo e per la modifica e l'ottimizzazione delle unità di recupero per l'adsorbimento di petrolio e gas.
Numerosi studiosi hanno raggiunto determinati risultati attraverso le loro ricerche. Chen Yaosi ha aggiunto un dispositivo di raffreddamento all'unità esistente di recupero dell'adsorbimento di petrolio e gas e, attraverso analisi sperimentali, ha concluso che il controllo della temperatura di uscita dell'olio adsorbito entro un intervallo compreso tra -5 e 5°C
soddisfa i requisiti sulle emissioni. DWIVEDI et al. hanno studiato l'analisi rivoluzionaria dell'adsorbimento nei reattori tubolari e hanno scoperto che quando la frazione volumetrica dei COV aumenta da 5.000×10⁻⁶ a
50.000×10⁻⁶, il tempo di passaggio diminuisce notevolmente. La rigenerazione del carbone attivo richiede il riscaldamento a un intervallo di temperature di 120–150°C e un tempo di rigenerazione di 45–60 minuti per rigenerare completamente il carbone attivo pre-equilibrato con COV a una frazione di volume di 8.000×10⁻⁶. Qiu Wenwu et al. ha studiato le prestazioni di adsorbimento della doppia-torre di adsorbimento per petrolio e gas, utilizzando gel di silice e carbone attivo come adsorbenti. Il petrolio e il gas subiscono prima un adsorbimento tampone, seguito da una fase di adsorbimento con oscillazione della pressione. Attraverso test sperimentali sull'apparato, si è scoperto che in un sistema di adsorbimento a pressione oscillante contenente 400 kg di adsorbente, olio e gas liquidi potevano essere adsorbiti a una velocità di 20–46 L/h, con concentrazioni di volume di emissioni di idrocarburi pari allo 0,01%.
Attualmente, i metodi di adsorbimento devono affrontare due grandi sfide nel recupero di petrolio e gas: insufficiente capacità di adsorbimento selettivo degli adsorbenti e difetti nelle tecnologie di rigenerazione tradizionali. Gli adsorbenti mostrano una scarsa capacità di adsorbimento selettivo per componenti specifici di petrolio e gas, influenzando l'efficienza complessiva del recupero e faticano a recuperare con precisione le molecole di petrolio e gas target in composizioni complesse di petrolio e gas; le tradizionali tecnologie di rigenerazione degli adsorbenti sono inefficienti, costose e inclini a causare inquinamento secondario, limitando la sostenibilità e la fattibilità economica dei metodi di adsorbimento.
Pertanto, la futura ricerca sull’adsorbimento dovrebbe concentrarsi sullo sviluppo di nuovi adsorbenti con elevata selettività, elevata capacità di adsorbimento e rispetto dell’ambiente, controllando con precisione la struttura del materiale e le proprietà superficiali per migliorare la capacità di adsorbimento specifica per le molecole di petrolio e gas.
Pertanto, la ricerca futura sui metodi di adsorbimento dovrebbe concentrarsi sullo sviluppo di nuovi adsorbenti con elevata selettività, elevata capacità di adsorbimento e rispetto dell’ambiente; controllare con precisione la struttura del materiale e le proprietà superficiali per migliorare la capacità di adsorbimento specifica delle molecole di petrolio e gas; condurre studi approfonditi sui meccanismi di rigenerazione per sviluppare tecnologie di rigenerazione efficienti, a basso costo e prive di inquinamento; ottimizzazione della struttura adsorbente per migliorare l'efficienza di trasferimento di massa e calore e i tassi di utilizzo dell'adsorbente; e migliorare le prestazioni del sistema di adsorbimento per adattarsi alle diverse condizioni operative.
