إزالة الكبريت التأكسدي بمساعدة الموجات فوق الصوتية (UAODS)

تشمل المركبات المحتوية على الكبريت في النفط الخام والبترول والديزل وزيوت الوقود الأخرى الكبريتيدات والثيول والثيوفين والبنزو وثنائي بنزوثيوفين المستبدل (BTs و DBTs) والبنزونافثوثيوفين (BNT) والعديد من الجزيئات الأكثر تعقيدا ، حيث تكون الثيوفين المكثف هي الأشكال الأكثر شيوعا. مفاعلات الموجات فوق الصوتية Hielscher تساعد عملية إزالة الكبريت العميق المؤكسد المطلوبة لتلبية اللوائح البيئية الصارمة اليوم والديزل منخفض الكبريت للغاية (ULSD، 10ppm الكبريت) المواصفات.

إزالة الكبريت التأكسدي (ODS)

إزالة الكبريت التأكسدي باستخدام بيروكسيد الهيدروجين واستخراج المذيبات اللاحقة هي تقنية إزالة الكبريت العميقة على مرحلتين لتقليل كمية مركبات الكبريت العضوي في زيوت الوقود. تستخدم مفاعلات الموجات فوق الصوتية Hielscher في كلتا المرحلتين لتحسين حركية تفاعل نقل الطور ومعدلات الذوبان في أنظمة الطور السائل والسائل.

مخطط انسيابي لإزالة الكبريت التأكسدي بمساعدة الموجات فوق الصوتية – 2 مراحل

في المرحلة الأولى من إزالة الكبريت التأكسدي بمساعدة الموجات فوق الصوتية ، يتم استخدام بيروكسيد الهيدروجين كمؤكسد لأكسدة الجزيئات المحتوية على الكبريت الموجودة في زيوت الوقود بشكل انتقائي إلى السلفوكسيدات أو السلفونات المقابلة لها في ظل ظروف معتدلة لزيادة قابليتها للذوبان في المذيبات القطبية مع زيادة قطبية. في هذه المرحلة، يمثل عدم ذوبانية الطور المائي القطبي والمرحلة العضوية غير القطبية مشكلة كبيرة في عملية إزالة الكبريت التأكسدي؛ حيث تتفاعل كلتا المرحلتين مع بعضهما البعض فقط عند الطور البيني. بدون الموجات فوق الصوتية ، ينتج عن هذا معدل تفاعل منخفض وتحويل بطيء للكبريت العضوي في هذا النظام ثنائي الطور.

الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية

يتم خلط الطور النفطي والمرحلة المائية وضخهما في خلاط ثابت لإنتاج مستحلب أساسي لنسبة حجمية ثابتة يتم تغذيتها بعد ذلك إلى مفاعل الخلط بالموجات فوق الصوتية. هناك ، ينتج التجويف بالموجات فوق الصوتية قصا هيدروليكيا عاليا ويكسر المرحلة المائية إلى قطرات دون ميكرون وحجم نانوي. نظرا لأن مساحة السطح المحددة لحدود الطور مؤثرة على المعدل الكيميائي للتفاعل ، فإن هذا الانخفاض الكبير في قطر القطرة يحسن حركية التفاعل ويقلل أو يلغي الحاجة إلى عوامل نقل الطور. باستخدام الموجات فوق الصوتية ، يمكن خفض نسبة حجم البيروكسيد ، لأن المستحلبات الدقيقة تحتاج إلى حجم أقل لتوفير نفس سطح التلامس مع مرحلة الزيت.

الأكسدة بمساعدة الموجات فوق الصوتية

ينتج التجويف بالموجات فوق الصوتية تسخينا محليا مكثفا (~ 5000 كلفن) ، وضغوطا عالية (~ 1000 ضغط جوي) ، ومعدلات تسخين وتبريد هائلة (>10⁹ K / ثانية) ، وتيارات النفاثة السائلة (~ 1000 كم / ساعة). تعمل هذه البيئة شديدة التفاعل على أكسدة الثيوفين في مرحلة الزيت بشكل أسرع وأكثر اكتمالا إلى سلفوكسيد وكبريتات قطبية أكبر. يمكن أن يدعم العامل الحفاز عملية الأكسدة بشكل أكبر ولكنه ليس ضروريا. وقد ثبت أن محفزات المستحلب البرمائي أو محفزات نقل الطور (PTC) ، مثل أملاح الأمونيوم الرباعية مع قدرتها الفريدة على الذوبان في كل من السوائل المائية والعضوية تندمج مع المؤكسد وتنقله من مرحلة الواجهة إلى مرحلة التفاعل ، وبالتالي تعزيز معدل التفاعل. يمكن إضافة كاشف Fenton لتعزيز كفاءة إزالة الكبريت التأكسدي لوقود الديزل ويظهر تأثيرا تآزريا جيدا مع معالجة الأكسدة الصوتية.

تعزيز نقل الكتلة عن طريق الموجات فوق الصوتية للطاقة

عندما تتفاعل مركبات الكبريت العضوي عند حدود الطور ، تتراكم السلفوكسيدات والسلفونات على سطح القطيرات المائية وتمنع مركبات الكبريت الأخرى من التفاعل في الطور المائي. يؤدي القص الهيدروليكي الناجم عن التيارات النفاثة التجويفية والتدفق الصوتي إلى تدفق مضطرب ونقل المواد من وإلى أسطح القطيرات ويؤدي إلى الالتحام المتكرر والتكوين اللاحق لقطرات جديدة. مع تقدم الأكسدة بمرور الوقت ، يزيد صوتنة من التعرض والتفاعل بين الكواشف.

استخراج نقل المرحلة من السلفونات

بعد الأكسدة والانفصال عن الطور المائي (H2O2) ، يمكن استخراج السلفونات باستخدام مذيب قطبي ، مثل الأسيتونيتريل في المرحلة الثانية. ستنتقل السلفونات عند حدود الطور بين المرحلتين إلى مرحلة المذيب لقطبية أعلى. كما هو الحال في المرحلة الأولى، مفاعلات الموجات فوق الصوتية Hielscher تعزيز استخراج السائل السائل عن طريق جعل مستحلب مضطرب غرامة الحجم من مرحلة المذيب في مرحلة النفط. هذا يزيد من سطح ملامسة الطور واستخراج النتائج وتقليل استخدام المذيبات.

من الاختبارات المعملية إلى النطاق التجريبي والإنتاج

Hielscher الفوق صوتيات تقدم معدات لاختبار والتحقق واستخدام هذه التكنولوجيا على أي نطاق. أساسا يتم ذلك في 4 خطوات ، فقط.

1. امزج الزيت مع H2O2 و sonicate لأكسدة مركبات الكبريت
2. أجهزة الطرد المركزي لفصل المرحلة المائية
3. امزج طور الزيت مع المذيبات والسونيكات لاستخراج السلفونات
4. أجهزة الطرد المركزي لفصل مرحلة المذيبات مع السلفونات

على نطاق المختبر ، يمكنك استخدام UP200Ht لتوضيح المفهوم وضبط المعلمات الأساسية ، مثل تركيز البيروكسيد ودرجة حرارة العملية ووقت الصوتنة وشدتها بالإضافة إلى استخدام المحفز أو المذيبات.
على مستوى مقاعد البدلاء ، يسمح صوتنة قوية مثل UIP1000hdT أو UIP2000hdT بمحاكاة كلتا المرحلتين بشكل مستقل بمعدلات تدفق من 100 إلى 1000 لتر / ساعة (25 إلى 250 جالون / ساعة) وتحسين معلمات العملية والصوتنة. تم تصميم معدات الموجات فوق الصوتية Hielscher لتوسيع النطاق الخطي إلى أحجام معالجة أكبر على نطاق تجريبي أو إنتاجي. ثبت أن تركيبات Hielscher تعمل بشكل موثوق للعمليات ذات الحجم الكبير ، بما في ذلك تكرير الوقود. Hielscher تنتج أنظمة الحاويات، والجمع بين العديد من الأجهزة عالية الطاقة لدينا 10kW أو 16kW إلى مجموعات لسهولة التكامل. تتوفر أيضا تصميمات لتلبية متطلبات البيئة الخطرة. يسرد الجدول أدناه أحجام المعالجة وأحجام المعدات الموصى بها.

نظام الخلط بالموجات فوق الصوتية – 2 خيوط من 6x10kW (2x120m³/ساعة)

فوائد استخدام الموجات فوق الصوتية

تقدم UAODS مزايا كبيرة مقارنة ب HDS. يتأكسد الثيوفين والبنزو البديل وثنائي بنزوثيوفين تحت ظروف درجات الحرارة والضغط المنخفضة. لذلك ، لا يلزم الهيدروجين باهظ الثمن مما يجعل هذه العملية أكثر ملاءمة لمصافي التكرير الصغيرة والمتوسطة الحجم ، أو المصافي المعزولة غير الموجودة بالقرب من خط أنابيب الهيدروجين. يتجنب معدل التفاعل المتزايد ودرجة حرارة التفاعل والضغط المعتدلين استخدام المذيبات اللامائية أو اللابروتونية باهظة الثمن.
يمكن أن يؤدي دمج وحدة إزالة الكبريت المؤكسدة بمساعدة الموجات فوق الصوتية (UAODS) مع وحدة المعالجة الهيدروجينية التقليدية إلى تحسين الكفاءة في إنتاج وقود ديزل منخفض و / أو منخفض الكبريت للغاية. يمكن استخدام هذه التقنية قبل أو بعد المعالجة المائية التقليدية لخفض مستوى الكبريت.
يمكن لعملية UAODS خفض التكاليف الرأسمالية التقديرية بأكثر من النصف عند مقارنتها بتكلفة المعالجة الهيدروجينية الجديدة عالية الضغط.

عيوب إزالة الكبريت الهيدروجيني (HDS)

في حين أن إزالة الكبريت بالهيدروجين (HDS) هي عملية عالية الكفاءة لإزالة الثيول والكبريتيدات وثاني كبريتيد ، فمن الصعب إزالة المركبات المحتوية على الكبريت المقاومة للحرارة مثل ثنائي بنزوثيوفين ومشتقاته (على سبيل المثال 4،6-ثنائي ميثيديبنزوثيوفين 4،6-DMDBT) إلى مستوى منخفض للغاية. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة والضغوط العالية والاستهلاك العالي للهيدروجين إلى زيادة تكاليف رأس المال والتشغيل ل HDS لإزالة الكبريت العميقة. ارتفاع تكاليف رأس المال والتشغيل أمر لا مفر منه. يمكن أن تسمم المستويات النزرة المتبقية من الكبريت المحفزات المعدنية النبيلة المستخدمة في عملية إعادة التشكيل والتحويل أو محفزات الأقطاب الكهربائية المستخدمة في مداخن خلايا الوقود.