Ultraschall als Alternative zur Hydrodesulfurierung

Erdölraffinerien sehen sich mit einem zunehmenden Angebot an schwefelhaltigem Rohöl, sogenanntem saurem Rohöl, konfrontiert, während Umweltvorschriften gleichzeitig einen geringeren Schwefelgehalt von Benzin verlangen. Zugleich steigen die Kosten der konventionellen Hydrodesulfurierung (HDS) aufgrund des benötigten Wasserstoffs. Die Behandlung mittels Ultraschallkavitation ist eine wirksame alternative Methode zur Entfernung von Schwefel aus Rohöl.

Schwefelgrenzwerte in Erdöl durch Ultraschallbehandlung einhalten

Fossile Brennstoffe enthalten Schwefelverbindungen. Diese entstehen beim Abbau schwefelhaltiger biologischer Substanz während der natürlichen Bildung fossiler Brennstoffe.

Fahrzeuge wie Autos, Flugzeuge und Schiffe sowie Kraftwerke verursachen durch die Verbrennung von Kraftstoffen auf Erdölbasis Schwefeldioxid-Emissionen (SO2). Derselbe Schwefel schädigt – selbst in sehr niedrigen Konzentrationen – Edelmetallkatalysatoren beim nachgeschalteten katalytischen Reformieren in Erdölraffinerien. Die neuesten Umweltvorschriften erfordern eine sehr weitgehende Entschwefelung, um die Spezifikationen für Diesel mit extrem niedrigem Schwefelgehalt (ULSD) zu erfüllen.
 

Anlage mit 192 kW aus Hochleistungs-Ultraschallgeräten zur Entschwefelung von Rohölen

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 vermischt, sodass Schwefelwasserstoff entsteht. Typischerweise besteht der Katalysator aus einem mit Kobalt und Molybdän imprägnierten Aluminiumoxidträger. Mit zunehmendem Schwefelgehalt des gelieferten Rohöls werden höhere Drücke und alternative Katalysatoren für die Entschwefelung erforderlich. Schwer umsetzbare 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 ultraschallunterstützte Entschwefelung. Werden Flüssigkeiten Ultraschallwellen hoher Intensität ausgesetzt, entsteht akustische Kavitation. Dabei bilden sich kleine Vakuumblasen (Kavitationsblasen), die anschließend heftig kollabieren. Durch den heftigen Kollaps jeder Blase entstehen lokal extreme Bedingungen:

• Temperatur: bis zu 5000 Kelvin
• Druck: bis zu 2000 Atmosphären
• Flüssigkeitsstrahlen: bis zu 1000km/hr.

Solche Bedingungen verbessern durch verstärkte Mikromischung die chemischen Vorgänge an den Katalysatoroberflächen. Insbesondere die hohen lokalen Temperaturen verändern die chemische Reaktionskinetik des Entschwefelungsprozesses. Dieser Effekt ermöglicht den Einsatz alternativer – kostengünstigerer – Katalysatoren oder alternativer chemischer Entschwefelungsverfahren. Deshpande et al. (2004) untersuchen 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.

Hochleistungs-Ultraschallgerät zur Entschwefelung von Rohöl

Hielscher ist der weltweit führende Anbieter von Ultraschallgeräten mit hoher Verarbeitungskapazität. Da Hielscher Hochleistungs-Ultraschallprozessoren mit bis zu 16kW Leistung pro Einzelgerät entwickelt und herstellt, gibt es keine Begrenzung hinsichtlich Anlagengröße oder Verarbeitungskapazität. Cluster aus mehreren 16kW-Systemen werden zur Verarbeitung größerer Volumenströme eingesetzt. Die industrielle Kraftstoffverarbeitung benötigt nur wenig Ultraschallenergie. Der tatsächliche Energiebedarf kann mit einem Ultraschall-Tischgerät wie dem UIP1000hdT ermittelt werden. Alle Ergebnisse solcher Versuche mit Tischgeräten lassen sich vollständig linear auf größere Maßstäbe übertragen, was die Umsetzung des Ultraschall-Entschwefelungsprozesses im industriellen Produktionsmaßstab erleichtert.

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

Kosten der Ultraschallbehandlung

Die Ultraschallbehandlung ist eine wirksame Verarbeitungstechnologie. Die Kosten der Ultraschallverarbeitung ergeben sich hauptsächlich aus der Investition
in Ultraschallgeräte, den Energiekosten und der Wartung. Die herausragende Energieeffizienz (siehe Diagramm) der Ultraschallgeräte von Hielscher trägt zur Senkung der Energiekosten bei.

Literatur

Deshpande, A., Bassi, A., Prakash, A. (2004): Ultraschallunterstützte, basenkatalysierte Oxidation von 4,6-Dimethyldibenzothiophen in einem zweiphasigen Diesel-Acetonitril-System; in: Energy Fuels, 19 (1), 28–34, 2005.

Mei H., Mei B.W., Yen T.F. (2003): Eine neue Methode zur Gewinnung von Dieselkraftstoff mit extrem niedrigem Schwefelgehalt durch ultraschallunterstützte oxidative Entschwefelung; in: Fuel, Band 82, Nummer 4, März 2003, S. 405–414(10), 2003.