Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall als Alternative zur Hydrodesulfurierung

Erdölraffinerien werden zunehmend mit schwefelhaltigeren Rohöllieferungen und dem umweltbedingten Druck zur Regulierung des Schwefelgehalts bei Benzin konfrontiert. Gleichzeitig steigen die Kosten der konventionellen Hydroentschwefelung (Hydrodesulfurization, HDS) aufgrund des benötigten Wasserstoffs. Eine auf Ultraschallkavitation basierende Methode bietet eine effektive Alternative des Entschwefelns.

Fossile Brennstoffe enthalten Schwefelverbindungen. Diese entstehen bei der Degradation schwefelhaltiger biologischer Stoffe während der natürlichen Entstehung der fossilen Brennstoffe.

Motorisierte Fortbewegungsmittel, wie Autos, Flugzeuge und Schiffe, oder Kraftwerke verursachen Schwefeldioxid (SO2) -Emissionen infolge der Mineralölverbrennung. Dieser Schwefel verursacht – sogar in sehr geringer Konzentration – Schäden an den teuren Metallkatalysatoren des nachgelagerten katalytischen Reformprozesses der Erdölraffinerien. Die jüngsten Umweltverordnungen fordern eine weitgehende Entschwefelung, so dass die Anforderungen bezüglich eines ultraniedrigen Schwefelgehaltes in Diesel (Ultra-Low Sulfur Diesel, ULSD) erfüllt werden.

Hintergrundinformation zur Hydroentschwefelung

Die Hydroentschwefelung ist der Standardkatalyseprozess, um den Schwefelgehalt in Erdölprodukten zu abzubauen. Bei diesem Vorgang wird die schwefelhaltige Fraktion des Rohöls mit Wasserstoff und einem Katalysator gemischt, um zu Schwefelwasserstoff zu reagieren. Normalerweise besteht der Katalysator aus Aluminium, welches mit Kobalt und Molybdän imprägniert ist. Enthält das Rohöl mehr Schwefel, so sind höhere Drücke und alternative Katalysatoren für die Entschwefelung notwendig. Recalcitrante aromatische Schwefelverbindungen (z. B. 4,6-Dimethyldibenzothiophen) können aufgrund ihrer geringen Reaktivität nicht durch Hydroentschwefelung abgebaut werden (siehe Deshpande 2004).

Ultraschallgestützte Entschwefelung

Die ultraschallgestützte Entschwefelung bietet eine Alternative zur Hydroentschwefelung. Die Übertagung hoch-intensiver Ultraschallwellen auf Flüssigkeiten erzeugt akustische Kavitation. Die Kavitation besteht aus der Formation und dem nachfolgenden heftigen Kollaps der kleinen Vakuumblasen. Dabei entstehen durch den Kollaps der einzelnen Kavitationsblasen lokal extreme Bedingungen:

  • Temperatur: bis zu 5000 °C
  • Druck: bis zu 2000 bar
  • Flüssigkeitsstrahlen: bis zu 1000km/h.

Solche Bedingungen begünstigen eine bessere Oberflächenchemie der Katalysatoren durch ein verbessertes Mikromischen. Besonders die hohen lokalen Temperaturen verändern die chemische Reaktionskinetik des Entschwefelungsprozesses (siehe Sonochemie). Dieser Effekt ermöglicht den Einsatz alternativer – und kostengünstigerer – Katalysatoren oder einen alternativen chemischen Prozess der Entschwefelung. Deshpande et al. (2004) untersuchten ein oxidatives System, das sich aus Natriumcarbonat und Wasserstoffperoxid in einem zweiphasigen System aus Diesel und Acetonitril zusammensetzt. Dieses zweiphasige System wurde mit Ultraschall beschallt. Die Studie ergab, dass der DMDBT-Gehalt in den Dieselproben um mehr als 90% gesenkt werden konnte.

Ultraschallprozessoren

Hielscher ist der weltweit führende Hersteller von hochleistungsfähigen Ultraschallgeräten. Da Hielscher Ultraschallprozessoren von bis zu 16kW Leistung je einzelnem Gerät herstellt, gibt es keine Leistungslimits bzw. keine Begrenzungen durch die Werksgröße oder die Prozesskapazität. Um auch sehr große Volumina im Durchfluss beschallen zu können, werden Cluster, die aus mehreren 16kW-Systemen bestehen, eingesetzt.

Die industrielle Treibstoffvorbereitung benötigt nicht viel Ultraschallenergie. Der spezifische Energiebedarf kann mit einem 1kW Ultraschallprozessor in Versuchen im Technikumsmaßstab eindeutig ermittelt werden. Die Ergebnisse, die im Bench-top-Verfahren erreicht wurden, können problemlos hochskaliert werden .

Kosten, die durch den Ultraschalleinsatz entstehen

(Klicken Sie hier für eine größere Ansicht!) Die Gesamtenergieeffizienz spielt beim Beschallen von Flüssigkeiten eine wichtige Rolle. Die Effizienz gibt an, wieviel der Energie, die über den Netzstecker eingespeist wird, letztendlich auf die Flüssigkeit übertragen wird. Unsere Ultraschallgeräte weisen eine Gesamteffizienz von mehr als 80% auf.Der Einsatz von Ultraschall ist eine effektive Prozesstechnologie. Die Ultraschallprozesskosten entstehen in erster Linie durch die Investition in die Ultraschallgeräte, die Betriebskosten und die Wartung. Die außerordentlich hohe Energieeffizienz (siehe Grafik) der Hielscher Ultraschallgeräte hilft die Betriebskosten zu reduzieren.

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Literaturverweis

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

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