بديل بالموجات فوق الصوتية لإزالة الكبريت بالهيدروجين

تواجه مصافي النفط تزايدًا في إمدادات النفط الخام المحتوي على الكبريت، المعروف بالنفط الخام عالي الكبريت، في حين تفرض اللوائح البيئية في الوقت نفسه ضغوطًا لخفض محتوى الكبريت في البنزين. وبالتزامن مع ذلك، ترتفع تكاليف إزالة الكبريت التقليدية بالهيدروجين (HDS) بسبب الهيدروجين اللازم. وتُعد المعالجة بالتجويف فوق الصوتي طريقة بديلة فعالة لإزالة الكبريت من النفط الخام.

استيفاء معايير الكبريت في النفط باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية

يحتوي الوقود الأحفوري على مركبات الكبريت. وتنشأ هذه المركبات من تحلل المواد البيولوجية المحتوية على الكبريت أثناء التكوّن الطبيعي للوقود الأحفوري.

تتسبب المركبات، مثل السيارات والطائرات والسفن البحرية، أو محطات توليد الطاقة في انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت (SO2) نتيجة احتراق الوقود النفطي. ويتسبب الكبريت نفسه – حتى بتركيزات منخفضة جدًا – في إتلاف محفزات المعادن النبيلة في عمليات الإصلاح الحفزي اللاحقة في مصافي النفط. وتتطلب أحدث اللوائح البيئية إزالة الكبريت بدرجة عميقة جدًا لاستيفاء مواصفات الديزل فائق الانخفاض في محتوى الكبريت (ULSD).
 

منظومة تضم أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة بقدرة إجمالية تبلغ 192 kW لإزالة الكبريت من الزيوت الخام

معلومات أساسية – إزالة الكبريت بالهيدروجين (HDS)

إزالة الكبريت بالهيدروجين (HDS) هي العملية الحفزية القياسية لإزالة الكبريت من المنتجات النفطية. وفي هذه العملية، تُخلط الأجزاء المحتوية على الكبريت من النفط الخام مع الهيدروجين ومحفز لتتفاعل مكوِّنةً كبريتيد الهيدروجين. ويتكون المحفز عادةً من قاعدة من الألومينا مشبعة بالكوبالت والموليبدينوم. ومع ازدياد محتوى الكبريت في إمدادات النفط، تصبح إزالة الكبريت بحاجة إلى ضغوط أعلى ومحفزات بديلة. ولا يمكن إزالة مركبات الكبريت العطرية المستعصية (مثل 4,6-dimethyldibenzothiophene) باستخدام إزالة الكبريت بالهيدروجين، بسبب انخفاض تفاعليتها.

إزالة الكبريت بمساعدة الموجات فوق الصوتية

تُعد إزالة الكبريت بمساعدة الموجات فوق الصوتية بديلًا لإزالة الكبريت بالهيدروجين. ويؤدي تعريض السوائل لموجات فوق صوتية عالية الشدة إلى التجويف الصوتي. ويتمثل ذلك في تكوّن فقاعات فراغية صغيرة (فقاعات التجويف) ثم انهيارها بعنف. وتنشأ موضعيًا ظروف قصوى نتيجة الانهيار العنيف لكل فقاعة:

• درجة الحرارة: تصل إلى 5000 كلفن
• الضغط: يصل إلى 2000 ضغط جوي
• نفاثات السائل: تصل إلى 1000km/hr.

تُحسّن هذه الظروف كيمياء أسطح المحفزات من خلال تعزيز الخلط على المستوى المجهري. وعلى وجه الخصوص، تغيّر درجات الحرارة الموضعية المرتفعة حركية التفاعلات الكيميائية في عملية إزالة الكبريت. ويتيح هذا التأثير استخدام محفزات بديلة – أقل تكلفة – أو كيمياء بديلة لإزالة الكبريت. ويدرس Deshpande وآخرون (2004) نظامًا تأكسديًا يتكون من كربونات الصوديوم وبيروكسيد الهيدروجين ضمن نظام ثنائي الطور من الديزل والأسيتونيتريل. وقد طُبقت المعالجة بالموجات فوق الصوتية على النظام ثنائي الطور. وحققت الدراسة خفضًا في محتوى DMDBT بأكثر من 90% في عينات الديزل.

جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية عالي الأداء لإزالة الكبريت من النفط الخام

تُعد Hielscher المورد الرائد عالميًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات السعة العالية. ونظرًا إلى أن Hielscher تصمم وتصنع أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء بقدرة تصل إلى 16kW لكل جهاز منفرد، فلا يوجد حد لحجم المنشأة أو سعة المعالجة. وتُستخدم مجموعات من عدة أنظمة بقدرة 16kW لمعالجة تدفقات حجمية أكبر. ولا تتطلب معالجة الوقود الصناعية قدرًا كبيرًا من الطاقة فوق الصوتية. ويمكن تحديد الاحتياج الفعلي للطاقة باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية يوضع على منضدة العمل، مثل UIP1000hdT. ويمكن توسيع نطاق جميع نتائج هذه التجارب المنضدية بصورة خطية تمامًا، مما يسهّل تطبيق عملية إزالة الكبريت بالموجات فوق الصوتية على نطاق الإنتاج الصناعي.

وعند الحاجة، تتوفر أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية معتمدة وفق ATEX (مثل UIP1000-Exd) للمعالجة بالموجات فوق الصوتية في البيئات الخطرة.

تكاليف المعالجة بالموجات فوق الصوتية

تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية معالجة فعالة. وتنشأ تكاليف المعالجة بالموجات فوق الصوتية أساسًا من الاستثمار
في أجهزة الموجات فوق الصوتية وتكاليف المرافق والصيانة. وتساعد كفاءة الطاقة المتميزة (انظر الرسم البياني) لأجهزة Hielscher للموجات فوق الصوتية على خفض تكاليف المرافق.

المراجع

Deshpande, A., Bassi, A., Prakash, A. (2004): أكسدة 4,6-ثنائي ميثيل ثنائي بنزوثيوفين المحفَّزة بقاعدة وبمساعدة الموجات فوق الصوتية في نظام ثنائي الطور من الديزل والأسيتونيتريل؛ في: Energy Fuels، 19 (1)، 28–34، 2005.

Mei H., Mei B.W., Yen T.F. (2003): طريقة جديدة للحصول على وقود ديزل فائق الانخفاض في محتوى الكبريت عبر إزالة الكبريت التأكسدية بمساعدة الموجات فوق الصوتية؛ في: Fuel، المجلد 82، العدد 4، مارس 2003، ص. 405–414(10)، 2003.