דה־סולפוריזציה חמצונית בסיוע אולטרסאונד (UAODS)

תרכובות המכילות גופרית בנפט גולמי, בנפט, בסולר ובדלקים נוזליים אחרים כוללות סולפידים, תיולים, תיופנים, בנזותיופנים ודיבנזותיופנים מותמרים (BTs ו־DBTs), בנזונפתותיופן (BNT) ומולקולות מורכבות רבות נוספות, שבהן תיופנים בעלי טבעות מאוחות הם הצורות הנפוצות ביותר. הכורים האולטרסוניים של Hielscher מסייעים לתהליך הדה־סולפוריזציה החמצונית העמוקה הנדרש כדי לעמוד בתקנות הסביבתיות המחמירות של ימינו ובמפרטים של סולר בעל תכולת גופרית נמוכה במיוחד (ULSD, גופרית בריכוז 10ppm).

דה־סולפוריזציה חמצונית (ODS)

דה־סולפוריזציה חמצונית באמצעות מי חמצן ולאחריה מיצוי בממס היא טכנולוגיה דו־שלבית לדה־סולפוריזציה עמוקה, שנועדה להפחית את כמות התרכובות האורגנו־גופריתיות בדלקים נוזליים. הכורים האולטרסוניים של Hielscher משמשים בשני השלבים לשיפור הקינטיקה של תגובות מעבר בין פאזות וקצבי ההמסה במערכות פאזות נוזל–נוזל.

תרשים זרימה לדה־סולפוריזציה חמצונית בסיוע אולטרסאונד – 2 שלבים

בשלב הראשון של דה־סולפוריזציה חמצונית בסיוע אולטרסאונד, מי חמצן משמשים כמחמצן לחמצון בררני של המולקולות המכילות גופרית המצויות בדלקים נוזליים לסולפוקסידים או לסולפונים המתאימים להן, בתנאים מתונים, כדי להגדיל את מסיסותן בממסים קוטביים באמצעות הגברת הקוטביות שלהן. בשלב זה, אי־המסיסות ההדדית של הפאזה המימית הקוטבית והפאזה האורגנית הלא־קוטבית היא בעיה משמעותית בתהליך הדה־סולפוריזציה החמצונית, שכן שתי הפאזות מגיבות זו עם זו רק בממשק ביניהן. ללא אולטרסאונד, הדבר מוביל לקצב תגובה נמוך ולהמרה איטית של תרכובות אורגנו־גופריתיות במערכת דו־פאזית זו.

תחלוב אולטרסוני

פאזת השמן והפאזה המימית מעורבבות ונשאבות למערבל סטטי כדי ליצור תחליב בסיסי בעל יחס נפחי קבוע, המוזן לאחר מכן לכור הערבול האולטרסוני. בתוך הכור, קוויטציה אולטרסונית יוצרת כוחות גזירה הידראוליים חזקים ומפרקת את הפאזה המימית לטיפות בגודל תת־מיקרוני וננומטרי. מכיוון ששטח הפנים הסגולי של הגבול בין הפאזות משפיע על קצב התגובה הכימית, הפחתה משמעותית זו בקוטר הטיפות משפרת את קינטיקת התגובה ומפחיתה או מבטלת את הצורך בחומרים להעברה בין פאזות. באמצעות אולטרסאונד ניתן להפחית את האחוז הנפחי של מי החמצן, משום שתחליבים עדינים יותר זקוקים לנפח קטן יותר כדי לספק את אותו שטח מגע עם פאזת השמן.

חמצון בסיוע אולטרסאונד

קוויטציה אולטרסונית יוצרת חימום מקומי עז (~5000K), לחצים גבוהים (~1000atm), קצבי חימום וקירור עצומים (>10⁹ K/sec), וסילוני נוזל (~1000 km/h). סביבה זו, בעלת תגובתיות גבוהה ביותר, מחמצנת תיופנים בפאזת השמן במהירות רבה יותר ובאופן מלא יותר לסולפוקסידים ולסולפונים קוטביים יותר. זרזים יכולים לסייע עוד לתהליך החמצון, אך הם אינם חיוניים. הוכח שזרזי תחליב אמפיפיליים או זרזי מעבר בין פאזות (PTC), כגון מלחי אמוניום רבעוניים בעלי יכולת ייחודית להתמוסס הן בנוזלים מימיים והן בנוזלים אורגניים, נקשרים למחמצן ומעבירים אותו מפאזת הממשק לפאזת התגובה, ובכך מגבירים את קצב התגובה. ניתן להוסיף ריאגנט פנטון כדי לשפר את יעילות הדה־סולפוריזציה החמצונית של סולר, והוא מציג השפעה סינרגטית טובה עם עיבוד בחמצון סונוכימי.

הגברת מעבר מסה באמצעות אולטרסאונד רב־עוצמה

כאשר התרכובות האורגנו־גופריתיות מגיבות בגבול בין הפאזות, הסולפוקסידים והסולפונים מצטברים על פני הטיפות המימיות ומונעים מתרכובות גופרית אחרות לקיים אינטראקציה בפאזה המימית. הגזירה ההידראולית הנגרמת מסילוני קוויטציה ומזרימה אקוסטית יוצרת זרימה טורבולנטית והעברת חומר מפני הטיפות ואליהם, ומובילה להתלכדות חוזרת ונשנית ולאחריה להיווצרות טיפות חדשות. ככל שהחמצון מתקדם עם הזמן, הסוניקציה ממקסמת את החשיפה ואת האינטראקציה של הריאגנטים.

מיצוי סולפונים באמצעות מעבר בין פאזות

לאחר החמצון וההפרדה מהפאזה המימית (H2O2), ניתן למצות את הסולפונים באמצעות ממס קוטבי, כגון אצטוניטריל, בשלב השני. בשל קוטביותם הגבוהה יותר, הסולפונים יעברו בגבול שבין שתי הפאזות אל פאזת הממס. בדומה לשלב הראשון, הכורים האולטרסוניים של Hielscher מגבירים את המיצוי נוזל–נוזל באמצעות יצירת תחליב טורבולנטי בעל טיפות עדינות של פאזת הממס בתוך פאזת השמן. הדבר מגדיל את שטח המגע בין הפאזות ומביא למיצוי ולהפחתת השימוש בממס.

מבדיקות מעבדה לקנה מידה של פיילוט וייצור

Hielscher Ultrasonics מציעה ציוד לבדיקה, לאימות וליישום של טכנולוגיה זו בכל קנה מידה. בעיקרו של דבר, התהליך מתבצע ב־4 שלבים בלבד.

1. ערבבו שמן עם H2O2 ובצעו סוניקציה לחמצון תרכובות הגופרית
2. בצעו צנטריפוגציה להפרדת הפאזה המימית
3. ערבבו את פאזת השמן עם ממס ובצעו סוניקציה למיצוי הסולפונים
4. בצעו צנטריפוגציה להפרדת פאזת הממס המכילה סולפונים

בקנה מידה מעבדתי, ניתן להשתמש ב־UP200Ht להדגמת העיקרון ולהתאמת פרמטרים בסיסיים, כגון ריכוז מי החמצן, טמפרטורת התהליך, משך הסוניקציה ועוצמתה, וכן השימוש בזרז או בממס.
ברמת מערכות שולחניות, מכשיר סוניקציה רב־עוצמה כגון UIP1000hdT או UIP2000hdT מאפשר לדמות את שני השלבים בנפרד בספיקות זרימה של 100 עד 1000L/hr ‏(25 עד 250 gal/hr), ולמטב את פרמטרי התהליך והסוניקציה. הציוד האולטרסוני של Hielscher מתוכנן להגדלת קנה מידה ליניארית לנפחי עיבוד גדולים יותר בקנה מידה של פיילוט או ייצור. המתקנים של Hielscher הוכחו כפועלים באופן אמין בתהליכים בנפחים גדולים, לרבות זיקוק דלקים. Hielscher מייצרת מערכות המותקנות במכולות, המשלבות כמה מהמכשירים רבי־העוצמה שלנו, בהספק של 10kW או 16kW, באשכולות לשילוב קל. זמינות גם תצורות העונות על הדרישות לסביבות מסוכנות. הטבלה שלהלן מפרטת נפחי עיבוד וגדלים מומלצים של ציוד.

מתקן הכולל מכשירי סוניקציה רבי־עוצמה בהספק של 192 kW לדה־סולפוריזציה של נפט גולמי