Alternative ultrasonore à l’hydrodésulfuration

Les raffineries de pétrole sont confrontées à un approvisionnement croissant en pétrole brut soufré, dit brut à haute teneur en soufre, tandis que les réglementations environnementales imposent une réduction de la teneur en soufre de l’essence. Parallèlement, les coûts de l’hydrodésulfuration conventionnelle (HDS) augmentent en raison de l’hydrogène nécessaire. Le traitement par cavitation ultrasonore est une méthode alternative efficace pour éliminer le soufre du pétrole brut.

Respecter les normes de teneur en soufre des produits pétroliers grâce à la sonication

Les combustibles fossiles contiennent des composés soufrés. Ceux-ci résultent de la dégradation de matières biologiques contenant du soufre lors de la formation naturelle des combustibles fossiles.

Les véhicules, tels que les voitures, les avions et les navires, ainsi que les centrales électriques, émettent du dioxyde de soufre (SO2) lors de la combustion de carburants pétroliers. Ce même soufre – même à de très faibles concentrations – endommage les catalyseurs à base de métaux nobles utilisés en aval dans le reformage catalytique des raffineries de pétrole. Les dernières réglementations environnementales exigent une désulfuration très poussée pour respecter les spécifications du gazole à très faible teneur en soufre (ULSD).
 

Installation de sonicateurs de forte puissance totalisant 192 kW pour la désulfuration des pétroles bruts

Contexte – Hydrodésulfuration (HDS)

Hydrodésulfuration (HDS) est le procédé catalytique standard pour éliminer le soufre des produits pétroliers. Dans ce procédé, les fractions soufrées du pétrole brut sont mélangées à de l’hydrogène et à un catalyseur afin de former du sulfure d’hydrogène par réaction. Généralement, le catalyseur est constitué d’un support d’alumine imprégné de cobalt et de molybdène. À mesure que les approvisionnements pétroliers deviennent plus riches en soufre, des pressions plus élevées et d’autres catalyseurs sont nécessaires pour la désulfuration. Les composés soufrés aromatiques réfractaires (par exemple le 4,6-diméthyldibenzothiophène) ne peuvent pas être éliminés par hydrodésulfuration en raison de leur faible réactivité.

Désulfuration assistée par ultrasons

La désulfuration assistée par ultrasons constitue une alternative à l’hydrodésulfuration. L’exposition de liquides à des ondes ultrasonores de forte intensité provoque une cavitation acoustique. Celle-ci correspond à la formation de petites bulles de vide (bulles de cavitation), suivie de leur implosion violente. Localement, l’implosion violente de chaque bulle engendre des conditions extrêmes :

• Température : jusqu’à 5000 kelvins
• Pression : jusqu’à 2000 atmosphères
• Jets de liquide : jusqu’à 1000km/hr.

Ces conditions favorisent les réactions chimiques à la surface des catalyseurs grâce à un micromélange renforcé. En particulier, les températures locales élevées modifient la cinétique des réactions chimiques du procédé de désulfuration. Cet effet permet d’utiliser d’autres catalyseurs – moins coûteux – ou d’autres voies chimiques de désulfuration. Deshpande et al. (2004) étudient un système oxydant composé de carbonate de sodium et de peroxyde d’hydrogène dans un système biphasique de gazole et d’acétonitrile. La sonication a été appliquée au système biphasique. L’étude a permis de réduire la teneur en DMDBT de plus de 90% dans les échantillons de gazole.

Sonicateur haute performance pour la désulfuration du pétrole brut

Hielscher est le premier fournisseur mondial de sonicateurs de grande capacité. Comme Hielscher conçoit et fabrique des processeurs ultrasonores haute performance d’une puissance allant jusqu’à 16kW par appareil, il n’y a aucune limite à la taille des installations ni à leur capacité de traitement. Des groupes de plusieurs systèmes de 16kW sont utilisés pour traiter des débits volumiques plus importants. Le traitement industriel des carburants ne nécessite pas beaucoup d’énergie ultrasonore. Le besoin énergétique réel peut être déterminé à l’aide d’un sonicateur de paillasse tel que le UIP1000hdT. Tous les résultats de ces essais sur paillasse peuvent être transposés à plus grande échelle de manière entièrement linéaire, ce qui facilite la mise en œuvre du procédé de désulfuration ultrasonore à l’échelle de la production industrielle.

Si nécessaire, des appareils à ultrasons certifiés ATEX (par exemple le UIP1000-Exd) sont disponibles pour la sonication dans les environnements dangereux.

Coûts de la sonication

La sonication est une technologie de traitement efficace. Les coûts du traitement par ultrasons proviennent principalement de l’investissement
dans les appareils à ultrasons, des coûts d’énergie et des autres utilités, ainsi que de la maintenance. L’excellent rendement énergétique (voir le graphique) des appareils à ultrasons Hielscher contribue à réduire les coûts d’énergie et des autres utilités.

Bibliographie

Deshpande, A., Bassi, A., Prakash, A. (2004): Oxydation de 4,6-diméthyldibenzothiophène assistée par ultrasons et catalysée par une base dans un système biphasique diesel-acétonitrile; in: Energy Fuels, 19 (1), 28 -34, 2005.

Mei H., Mei B.W., Yen T.F. (2003): A new method for obtaining ultra-low sulfur diesel fuel via ultrasound assisted oxidative desulfurization; in: Fuel, Volume 82, Number 4, March 2003, pp. 405-414(10), 2003.