إزالة الكبريت التأكسدية بمساعدة الموجات فوق الصوتية (UAODS)

تشمل المركبات المحتوية على الكبريت في النفط الخام والبترول والديزل وزيوت الوقود الأخرى الكبريتيدات والثيولات والثيوفينات والبنزوثيوفينات وثنائي بنزوثيوفينات المستبدلة (BTs وDBTs)، والبنزونفثوثيوفين (BNT)، والعديد من الجزيئات الأكثر تعقيدًا، التي تُعد الثيوفينات ذات الحلقات المندمجة أكثر أشكالها شيوعًا. تساعد مفاعلات Hielscher بالموجات فوق الصوتية في عملية الإزالة التأكسدية العميقة للكبريت اللازمة لتلبية اللوائح البيئية الصارمة الحالية ومواصفات الديزل ذي المحتوى فائق الانخفاض من الكبريت (ULSD، 10ppm من الكبريت).

إزالة الكبريت التأكسدية (ODS)

تُعد إزالة الكبريت التأكسدية باستخدام بيروكسيد الهيدروجين، ثم الاستخلاص بالمذيبات، تقنية لإزالة الكبريت بعمق على مرحلتين، تهدف إلى تقليل كمية المركبات العضوية الكبريتية في زيوت الوقود. تُستخدم مفاعلات Hielscher بالموجات فوق الصوتية في كلتا المرحلتين لتحسين حركية تفاعلات انتقال الطور ومعدلات الذوبان في أنظمة الأطوار سائل–سائل.

مخطط تدفق لإزالة الكبريت التأكسدية بمساعدة الموجات فوق الصوتية – 2 مرحلتان

في المرحلة الأولى من إزالة الكبريت التأكسدية بمساعدة الموجات فوق الصوتية، يُستخدم بيروكسيد الهيدروجين عاملًا مؤكسدًا لأكسدة الجزيئات المحتوية على الكبريت الموجودة في زيوت الوقود بصورة انتقائية إلى السلفوكسيدات أو السلفونات المقابلة لها، في ظروف معتدلة، لزيادة ذوبانها في المذيبات القطبية من خلال زيادة قطبيتها. في هذه المرحلة، يُشكّل عدم امتزاج الطور المائي القطبي والطور العضوي غير القطبي مشكلة كبيرة في عملية إزالة الكبريت التأكسدية، إذ لا يتفاعل الطوران مع بعضهما إلا عند السطح البيني. ومن دون الموجات فوق الصوتية، يؤدي ذلك إلى انخفاض معدل التفاعل وبطء تحويل المركبات العضوية الكبريتية في هذا النظام ثنائي الطور.

الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية

يُخلط الطور الزيتي والطور المائي ويُضخان إلى خلاط ساكن لإنتاج مستحلب أولي ذي نسبة حجمية ثابتة، يُغذّى به بعد ذلك مفاعل الخلط بالموجات فوق الصوتية. داخل المفاعل، يُولّد التجويف بالموجات فوق الصوتية قصًا هيدروليكيًا عاليًا، ويُفتّت الطور المائي إلى قطيرات دون ميكرونية ونانوية الحجم. ونظرًا إلى تأثير المساحة السطحية النوعية للحد الفاصل بين الطورين في معدل التفاعل الكيميائي، فإن هذا الانخفاض الكبير في قطر القطيرات يُحسّن حركية التفاعل ويُقلّل الحاجة إلى عوامل انتقال الطور أو يُلغيها. باستخدام الموجات فوق الصوتية، يمكن خفض النسبة الحجمية للبيروكسيد، لأن المستحلبات الأدق تحتاج إلى حجم أقل لتوفير مساحة التلامس نفسها مع الطور الزيتي.

الأكسدة بمساعدة الموجات فوق الصوتية

يُولّد التجويف بالموجات فوق الصوتية تسخينًا موضعيًا شديدًا (~5000K)، وضغوطًا عالية (~1000atm)، ومعدلات هائلة للتسخين والتبريد (>10⁹ K/sec)، وتيارات نفاثة سائلة (~1000 km/h). تؤكسد هذه البيئة شديدة التفاعلية الثيوفينات في الطور الزيتي بسرعة أكبر وبصورة أكثر اكتمالًا إلى سلفوكسيدات وسلفونات أعلى قطبية. ويمكن للمحفزات أن تدعم عملية الأكسدة بدرجة أكبر، لكنها ليست ضرورية. وقد تبيّن أن محفزات الاستحلاب مزدوجة الألفة أو محفزات انتقال الطور (PTC)، مثل أملاح الأمونيوم الرباعية ذات القدرة الفريدة على الذوبان في السوائل المائية والعضوية على حد سواء، ترتبط بالعامل المؤكسد وتنقله من الطور البيني إلى طور التفاعل، مما يعزز معدل التفاعل. ويمكن إضافة كاشف فنتون لتعزيز كفاءة إزالة الكبريت التأكسدية من وقود الديزل، وهو يُظهر تأثيرًا تآزريًا جيدًا مع المعالجة بالأكسدة بمساعدة الموجات فوق الصوتية.

تعزيز انتقال الكتلة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة

عندما تتفاعل المركبات العضوية الكبريتية عند الحد الفاصل بين الطورين، تتراكم السلفوكسيدات والسلفونات على سطح القطيرات المائية وتمنع مركبات الكبريت الأخرى من التفاعل عند الطور المائي. يؤدي القص الهيدروليكي الناتج عن التيارات النفاثة الناجمة عن التجويف والجريان الصوتي إلى تدفق مضطرب وانتقال المواد من أسطح القطيرات وإليها، ويؤدي إلى اندماج القطيرات المتكرر ثم تكوّن قطيرات جديدة. ومع تقدم الأكسدة بمرور الوقت، تزيد المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى أقصى حد من تعرّض الكواشف لبعضها وتفاعلها.

استخلاص السلفونات بانتقال الطور

بعد الأكسدة والفصل عن الطور المائي (H2O2)، يمكن استخلاص السلفونات باستخدام مذيب قطبي، مثل الأسيتونتريل، في المرحلة الثانية. تنتقل السلفونات عند الحد الفاصل بين الطورين إلى طور المذيب بسبب قطبيتها الأعلى. وكما في المرحلة الأولى، تعزز مفاعلات Hielscher بالموجات فوق الصوتية الاستخلاص سائل–سائل بتكوين مستحلب مضطرب دقيق القطيرات من طور المذيب في الطور الزيتي. ويزيد ذلك من مساحة التلامس بين الطورين ويؤدي إلى الاستخلاص وتقليل استخدام المذيب.

من الاختبارات المختبرية إلى النطاق التجريبي والإنتاج

تُقدّم Hielscher Ultrasonics معدات لاختبار هذه التقنية والتحقق منها واستخدامها على أي نطاق. وتتألف العملية أساسًا من 4 خطوات فقط.

1. اخلط الزيت مع H2O2 وعالجه بالموجات فوق الصوتية لأكسدة مركبات الكبريت
2. استخدم الطرد المركزي لفصل الطور المائي
3. اخلط الطور الزيتي مع المذيب وعالجه بالموجات فوق الصوتية لاستخلاص السلفونات
4. استخدم الطرد المركزي لفصل طور المذيب المحتوي على السلفونات

على النطاق المختبري، يمكنك استخدام UP200Ht لإثبات المفهوم وضبط المعلمات الأساسية، مثل تركيز البيروكسيد ودرجة حرارة العملية ومدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وشدتها، وكذلك استخدام المحفز أو المذيب.
وعلى مستوى الأجهزة المكتبية، يتيح جهاز معالجة قوي بالموجات فوق الصوتية، مثل UIP1000hdT أو UIP2000hdT، محاكاة كلتا المرحلتين بصورة مستقلة عند معدلات تدفق من 100 إلى 1000L/hr (من 25 إلى 250 gal/hr)، وتحسين معلمات العملية والمعالجة بالموجات فوق الصوتية. صُمّمت معدات Hielscher بالموجات فوق الصوتية للتوسّع الخطي إلى أحجام معالجة أكبر على النطاق التجريبي أو الإنتاجي. وقد ثبت أن منشآت Hielscher تعمل بصورة موثوقة في العمليات ذات الأحجام الكبيرة، بما فيها تكرير الوقود. تُنتج Hielscher أنظمة مجهّزة داخل حاويات، تجمع عدة أجهزة من أجهزتنا عالية القدرة بقدرة 10kW أو 16kW في مجموعات لتسهيل دمجها. وتتوفر أيضًا تصاميم تلبي متطلبات البيئات الخطرة. يُبيّن الجدول أدناه أحجام المعالجة وأحجام المعدات الموصى بها.

منشأة تضم أجهزة معالجة عالية القدرة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 192 kW لإزالة الكبريت من النفط الخام