Ultralydassisteret oxidativ afsvovling (UAODS)

Svovlholdige forbindelser i råolie, petroleum, diesel og andre brændselsolier omfatter sulfider, thioler, thiophener, substituerede benzo- og dibenzothiophener (BT'er og DBT'er), benzonaphthothiophen (BNT) og mange flere komplekse molekyler, hvor de kondenserede thiophener er de mest almindelige former. Hielscher ultralydsreaktorer hjælper den oxidative dybe afsvovlingsproces, der kræves for at opfylde nutidens strenge miljøbestemmelser og specifikationer for diesel med ultralavt svovlindhold (ULSD, 10 ppm svovl).

Oxidativ afsvovling (ODS)

Oxidativ afsvovling med hydrogenperoxid og efterfølgende opløsningsmiddelekstraktion er en to-trins dyb afsvovlingsteknologi for at reducere mængden af organiske svovlforbindelser i brændselsolier. Hielscher ultralydsreaktorer bruges i begge faser til at forbedre faseoverførselskinetik og opløsningshastigheder i væske-væskefasesystemer.

Flowchart for ultralydassisteret oxidativ afsvovling – 2 etaper

I det første trin af ultralydassisteret oxidativ afsvovling anvendes hydrogenperoxid som en oxidant til selektivt at oxidere de svovlholdige molekyler, der er til stede i brændselsolier, til deres tilsvarende sulfoxider eller sulfoner under milde forhold for at øge deres opløselighed i polære opløsningsmidler med en stigning i deres polaritet. På dette stadium er uopløseligheden af den polære vandige fase og den ikke-polære organiske fase et væsentligt problem i processen med oxidativ afsvovling, da begge faser kun reagerer med hinanden ved interfasen. Uden ultralyd resulterer dette i en lav reaktionshastighed og en langsom omdannelse af organosvovl i dette tofasesystem.

Ultralyd emulgering

Oliefasen og den vandige fase blandes og pumpes ind i en statisk blander for at producere en basisk emulsion med et konstant volumetrisk forhold, der derefter føres til ultralydsblandingsreaktoren. Derinde producerer ultralydskavitation høj hydraulisk forskydning og bryder den vandige fase i dråber under mikron og nanostørrelse. Da det specifikke overfladeareal af fasegrænsen har indflydelse på den kemiske reaktionshastighed, forbedrer denne signifikante reduktion i dråbediameter reaktionskinetikken og reducerer eller eliminerer behovet for faseoverførselsmidler. Ved hjælp af ultralyd kan peroxidens volumenprocent sænkes, fordi finere emulsioner har brug for mindre volumen for at give den samme kontaktflade med oliefasen.

Ultralydassisteret oxidation

Ultralydskavitation producerer intens lokal opvarmning (~ 5000K), høje tryk (~ 1000atm), enorme opvarmnings- og kølehastigheder (>10⁹ K/sek.) og flydende jetstrømme (~1000 km/t). Dette ekstremt reaktive miljø oxiderer thiophener i oliefasen hurtigere og mere fuldstændigt til større polært sulfoxid og sulfoner. Katalysatorer kan yderligere understøtte oxidationsprocessen, men de er ikke afgørende. Amfifile emulsionskatalysatorer eller faseoverførselskatalysatorer (PTC), såsom kvaternære ammoniumsalte med deres unikke evne til at opløses i både vandige og organiske væsker, har vist sig at inkorporere med oxidanten og transportere den fra grænsefladefasen til reaktionsfasen og derved øge reaktionshastigheden. Fentons reagens kan tilsættes for at forbedre den oxidative afsvovlingseffektivitet for dieselbrændstoffer, og det viser en god synergieffekt med sono-oxidationsbehandlingen.

Forbedret masseoverførsel ved Power-Ultrasound

Når de organiske svovlforbindelser reagerer ved en fasegrænse, akkumuleres sulfoxider og sulfoner ved den vandige dråbeoverflade og blokerer andre svovlforbindelser fra at interagere ved vandig fase. Den hydrauliske forskydning forårsaget af kavitationelle jetstrømme og akustisk streaming resulterer i turbulent strømning og materialetransport fra og til dråbeoverflader og fører til gentagen sammensmeltning og efterfølgende dannelse af nye dråber. Efterhånden som oxidationen skrider frem over tid, maksimerer sonikering eksponeringen og interaktionen mellem reagenserne.

Faseoverførselsekstraktion af sulfoner

Efter oxidationen og adskillelsen fra den vandige fase (H2O2) kan sulfonerne ekstraheres ved hjælp af et polært opløsningsmiddel, såsom acetonitril i andet trin. Sulfonerne overføres ved fasegrænsen mellem begge faser til opløsningsmiddelfasen for deres højere polaritet. Ligesom i det første trin øger Hielscher ultralydsreaktorer væske-væskeekstraktionen ved at lave en fin størrelse turbulent emulsion af opløsningsmiddelfasen i oliefasen. Dette øger fasekontaktfladen og resulterer i ekstraktion og reduceret brug af opløsningsmidler.

Fra laboratorietest til pilotskala og produktion

Hielscher Ultrasonics tilbyder udstyr til at teste, verificere og bruge denne teknologi i enhver skala. Dybest set gøres det kun i 4 trin.

1. Bland olie med H2O2 og soniker for at oxidere svovlforbindelserne
2. Centrifuge til adskillelse af vandig fase
3. Bland oliefasen med opløsningsmiddel og sonikerat for at ekstrahere sulfonerne
4. Centrifuge til adskillelse af opløsningsmiddelfasen med sulfoner

I laboratorieskala kan du bruge en UP200Ht til at demonstrere konceptet og til at justere grundlæggende parametre, såsom peroxidkoncentration, procestemperatur, sonikeringstid og intensitet samt katalysator eller opløsningsmiddelanvendelse.
På bænk-top-niveau giver en kraftfuld soniker såsom UIP1000hdT eller UIP2000hdT mulighed for at simulere begge trin uafhængigt ved strømningshastigheder fra 100 til 1000L / time (25 til 250 gal / time) og at optimere proces- og sonikeringsparametre. Hielscher ultralydsudstyr er designet til lineær opskalering til større behandlingsvolumener i pilot- eller produktionsskala. Hielscher-installationer har vist sig at fungere pålideligt til processer med store mængder, herunder brændstofraffinering. Hielscher producerer containeriserede systemer, der kombinerer flere af vores højeffekts 10kW eller 16kW enheder til klynger for nem integration. Design, der opfylder kravene til farlige miljøer, er også tilgængelige. Tabellen nedenfor viser behandlingsmængder og anbefalede udstyrsstørrelser.

Installation med 192 kW højeffekts sonikere til afsvovling af råolier