Ultraschall als Alternative zur Hydrodesulfurierung

Erdölraffinerien sehen sich mit einer zunehmenden Lieferung von schwefelhaltigem Rohöl, so genanntem Sour Crude, konfrontiert, während gleichzeitig Umweltvorschriften auf einen geringeren Schwefelgehalt im Benzin drängen. Gleichzeitig steigen die Kosten der konventionellen Hydrodesulfurierung (HDS) aufgrund des benötigten Wasserstoffs. Die Kavitationsbehandlung mit Ultraschall ist eine wirksame alternative Methode zur Entfernung von Schwefel aus Rohöl.

Einhaltung von Schwefelstandards in Öl mit Sonikation

Fossile Brennstoffe enthalten Schwefelverbindungen. Diese entstehen durch den Abbau von schwefelhaltigem biologischem Material bei der natürlichen Entstehung fossiler Brennstoffe.

Hydrodesulfurierung für DieselkraftstoffFahrzeuge wie Autos, Flugzeuge und Schiffe oder Kraftwerke verursachen bei der Verbrennung von Erdölkraftstoff Schwefeldioxidemissionen (SO2). Der gleiche Schwefel – auch in sehr niedrigen Konzentrationen – verursacht Schäden an Edelmetallkatalysatoren bei der nachgeschalteten katalytischen Reformierung in Erdölraffinerien. Die neuesten Umweltvorschriften erfordern eine sehr tiefe Entschwefelung, um die Spezifikationen für schwefelarmen Dieselkraftstoff (ULSD) zu erfüllen.
 

Cluster-Installation von leistungsstarken Sonicatoren zur Entschwefelung von Rohöl und Bunkeröl

Anlage mit 192 kW Hochleistungssonicatoren zur Entschwefelung von Rohölen

 

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Hintergrund – Hydrodesulfurierung (HDS)

Hydrodesulfurierung (HDS) ist das katalytische Standardverfahren zur Entfernung von Schwefel aus Erdölprodukten. Bei diesem Verfahren werden die schwefelhaltigen Fraktionen des Rohöls mit Wasserstoff und einem Katalysator gemischt, um zu Schwefelwasserstoff zu reagieren. In der Regel besteht der Katalysator aus einer mit Kobalt und Molybdän imprägnierten Aluminiumoxidbasis. Je saurer das Öl wird, desto höhere Drücke und alternative Katalysatoren werden für die Entschwefelung benötigt. Widerspenstige aromatische Schwefelverbindungen (z. B. 4,6-Dimethyldibenzothiophen) können aufgrund ihrer geringen Reaktivität nicht durch Hydrodesulfurierung entfernt werden.

Ultraschallunterstützte Entschwefelung

Eine Alternative zur Hydrodesulfurierung ist die ultraschallgestützte Entschwefelung. Die Einwirkung von Ultraschallwellen hoher Intensität auf Flüssigkeiten führt zu akustischer Kavitation. Dabei handelt es sich um die Bildung und den anschließenden gewaltsamen Zusammenbruch von kleinen Vakuumblasen (Kavitation). Durch das gewaltsame Kollabieren jeder einzelnen Blase entstehen örtlich extreme Bedingungen:

  • Temperatur: bis zu 5000 Kelvin
  • Druck: bis zu 2000 Atmosphären
  • Flüssigkeitsdüsen: bis zu 1000km/h.

Solche Bedingungen begünstigen eine bessere Oberflächenchemie der Katalysatoren durch verbesserte Mikrovermischung. Insbesondere die hohen lokalen Temperaturen verändern die chemische Reaktionskinetik des Entschwefelungsprozesses. Dieser Effekt ermöglicht eine alternative – weniger teuer – Katalysatoren oder alternative Entschwefelungschemie verwendet werden. Deshpande et al. (2004) untersuchten ein oxidatives System aus Natriumcarbonat und Wasserstoffperoxid in einem zweiphasigen System aus Diesel und Acetonitril. Das zweiphasige System wurde mit Ultraschall behandelt. In der Studie wurde eine Verringerung des DMDBT-Gehalts in den Dieselproben um mehr als 90 % erreicht.

Hochleistungssonicator für die Entschwefelung von Rohöl

Hielscher ist der weltweit führende Anbieter von Hochleistungssonicatoren. Da Hielscher Hochleistungs-Ultraschallprozessoren mit einer Leistung von bis zu 16kW pro Einzelgerät konstruiert und herstellt, gibt es keine Begrenzung in der Anlagengröße oder der Prozesskapazität. Für die Aufbereitung größerer Volumenströme werden Cluster aus mehreren 16kW-Systemen eingesetzt. Die industrielle Brennstoffaufbereitung benötigt nicht viel Ultraschallenergie. Der tatsächliche Energiebedarf kann mit einem Tischbeschallungsgerät wie dem UIP1000hdT ermittelt werden. Alle Ergebnisse aus solchen Prüfstandsversuchen lassen sich völlig linear hochskalieren, was die Umsetzung des Ultraschallentschwefelungsverfahrens im industriellen Maßstab erleichtert.

Bei Bedarf sind ATEX-zertifizierte Ultraschallgeräte (z.B. UIP1000-Exd) für die Beschallung in explosionsgefährdeten Umgebungen erhältlich.

Kosten der Ultraschallbehandlung

(Klicken Sie für eine größere Ansicht!) Die Gesamtenergieeffizienz für die Ultraschall-Behandlung von Flüssigkeiten wichtig ist. Die Effizienz beschreibt, wie viel der Energie aus dem Stecker in die Flüssigkeit übertragen wird. Unsere Beschallungsgeräte haben einen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 80%.Die Ultraschallbehandlung ist eine effektive Verarbeitungstechnologie. Die Kosten für die Ultraschallbearbeitung ergeben sich hauptsächlich aus der Investition
für Ultraschallgeräte, Betriebskosten und Wartung. Die hervorragende Energieeffizienz (siehe Karte) von Hielscher-Ultraschallgeräten hilft, die Betriebskosten zu senken.

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Literatur

Deshpande, A., Bassi, A., Prakash, A. (2004): Ultraschall-unterstützte, basenkatalysierte Oxidation von 4,6-Dimethyldibenzothiophen in einem zweiphasigen Diesel-Acetonitril-System; in: Energie-Brennstoffe, 19 (1), 28 -34, 2005.

Mei H., Mei B.W., Yen T.F. (2003): Ein neues Verfahren zur Gewinnung von Dieselkraftstoff mit extrem niedrigem Schwefelgehalt durch ultraschallunterstützte oxidative Entschwefelung; in: Kraftstoff, Band 82, Nummer 4, März 2003, S. 405-414(10), 2003.



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