חלופה אולטרסונית להסרת גופרית באמצעות מימן

בתי זיקוק לנפט מתמודדים עם אספקה הולכת וגדלה של נפט גולמי המכיל גופרית, המכונה נפט גולמי חמוץ, ובמקביל תקנות סביבתיות מחייבות להפחית את תכולת הגופרית בבנזין. בה בעת, העלויות של הסרת גופרית קונבנציונלית באמצעות מימן (HDS) עולות בשל המימן הנדרש. טיפול בקוויטציה אולטרסונית הוא שיטה חלופית יעילה להסרת גופרית מנפט גולמי.

עמידה בתקנים לתכולת גופרית בנפט באמצעות סוניקציה

דלקים מאובנים מכילים תרכובות גופרית. תרכובות אלה נוצרות מפירוק של חומר ביולוגי המכיל גופרית במהלך ההיווצרות הטבעית של דלקים מאובנים.

כלי רכב, כגון מכוניות, כלי טיס וכלי שיט, או תחנות כוח גורמים לפליטת גופרית דו־חמצנית (SO2) כתוצאה משרפת דלק שמקורו בנפט. אותה גופרית – אפילו בריכוזים נמוכים מאוד – גורמת נזק לזרזים ממתכות אצילות בשלב הרפורמינג הקטליטי שבהמשך התהליך בבתי זיקוק לנפט. התקנות הסביבתיות העדכניות מחייבות הסרה מעמיקה מאוד של גופרית כדי לעמוד במפרטים של סולר בעל תכולת גופרית נמוכה במיוחד (ULSD).
 

מתקן הכולל מכשירי סוניקציה בהספק גבוה, בהספק כולל של 192 kW, להסרת גופרית מנפט גולמי

רקע – הסרת גופרית באמצעות מימן (HDS)

הסרת גופרית באמצעות מימן (HDS) היא התהליך הקטליטי המקובל להסרת גופרית ממוצרי נפט. בתהליך זה מערבבים את המקטעים המכילים גופרית של הנפט הגולמי עם מימן וזרז, כך שהם מגיבים ליצירת מימן גופרי. בדרך כלל, הזרז מורכב מבסיס אלומינה המוספג בקובלט ובמוליבדן. ככל שהנפט המסופק נעשה חמוץ יותר, נדרשים לחצים גבוהים יותר וזרזים חלופיים להסרת הגופרית. תרכובות גופרית ארומטיות עמידות (למשל 4,6-dimethyldibenzothiophene) אינן ניתנות להסרה באמצעות הסרת גופרית במימן, בשל התגובתיות הנמוכה שלהן.

הסרת גופרית בסיוע אולטרסאונד

חלופה להסרת גופרית באמצעות מימן היא הסרת גופרית בסיוע אולטרסאונד. חשיפת נוזלים לגלים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה גורמת לקוויטציה אקוסטית. בתהליך זה נוצרות בועות ריק קטנות (בועות קוויטציה), ולאחר מכן הן קורסות בעוצמה. באופן מקומי נוצרים תנאים קיצוניים כתוצאה מקריסתה העזה של כל בועה:

• טמפרטורה: עד 5000 קלווין
• לחץ: עד 2000 אטמוספרות
• סילוני נוזל: עד 1000km/hr.

תנאים כאלה משפרים את הכימיה של פני השטח של זרזים באמצעות ערבוב מוגבר בקנה מידה מיקרוסקופי. בפרט, הטמפרטורות המקומיות הגבוהות משנות את הקינטיקה של התגובה הכימית בתהליך הסרת הגופרית. השפעה זו מאפשרת להשתמש בזרזים חלופיים – זולים יותר – או בכימיה חלופית להסרת גופרית. Deshpande ואחרים (2004) בוחנים מערכת חמצון המורכבת מנתרן פחמתי וממי חמצן במערכת דו־פאזית של סולר ואצטוניטריל. סוניקציה הופעלה על המערכת הדו־פאזית. במחקר הושגה הפחתה של יותר מ־90% בתכולת ה־DMDBT בדגימות הסולר.

מכשיר סוניקציה בעל ביצועים גבוהים להסרת גופרית מנפט גולמי

Hielscher היא הספקית המובילה בעולם של מכשירי סוניקציה בעלי תפוקה גבוהה. מכיוון ש־Hielscher מתכננת ומייצרת מעבדים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים בהספק של עד 16kW למכשיר יחיד, אין מגבלה על גודל המפעל או על כושר העיבוד. אשכולות של כמה מערכות בהספק 16kW משמשים לעיבוד זרמים בספיקות נפחיות גדולות יותר. עיבוד תעשייתי של דלק אינו דורש אנרגיה אולטרסונית רבה. ניתן לקבוע את דרישת האנרגיה בפועל באמצעות מכשיר סוניקציה שולחני כגון UIP1000hdT. ניתן להגדיל את קנה המידה של כל התוצאות מניסויים שולחניים כאלה באופן ליניארי לחלוטין, דבר המקל על יישום תהליך הסרת הגופרית האולטרסוני בקנה מידה של ייצור תעשייתי.

במידת הצורך, זמינים מכשירים אולטרסוניים בעלי הסמכת ATEX (למשל UIP1000-Exd) לביצוע סוניקציה בסביבות מסוכנות.

עלויות הסוניקציה

סוניקציה היא טכנולוגיית עיבוד יעילה. עלויות העיבוד האולטרסוני נובעות בעיקר מההשקעה
במכשירים אולטרסוניים, מעלויות שירותי התשתית ומהתחזוקה. היעילות האנרגטית יוצאת הדופן (ראו תרשים) של המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מסייעת להפחית את עלויות שירותי התשתית.

ספרות מקצועית

Deshpande, A., Bassi, A., Prakash, A. (2004): חמצון של 4,6-Di­methyl­di­ben­zothio­phene בסיוע אולטרסאונד ובקטליזה בסיסית במערכת דו־פאזית של סולר ואצטוניטריל; בתוך: Energy Fuels, 19 (1), 28 -34, 2005.

Mei H., Mei B.W., Yen T.F. (2003): שיטה חדשה לקבלת סולר בעל תכולת גופרית נמוכה במיוחד באמצעות הסרת גופרית חמצונית בסיוע אולטרסאונד; בתוך: Fuel, כרך 82, מספר 4, March 2003, עמ׳ 405-414(10), 2003.