Ultrahanggal támogatott oxidatív kéntelenítés (UAODS)

A nyersolajban, a kőolajban, a dízelüzemanyagban és más tüzelőolajokban található kéntartalmú vegyületek közé tartoznak a szulfidok, a tiolok, a tiofének, a szubsztituált benzo- és dibenzotiofének (BT-k és DBT-k), a benzonaftotiofén (BNT), valamint számos további összetett molekula, amelyek között a kondenzált tiofének a leggyakoribb formák. A Hielscher ultrahangos reaktorai támogatják azt az oxidatív mély-kéntelenítési folyamatot, amely a mai szigorú környezetvédelmi előírások és az ultrakis kéntartalmú dízelüzemanyagra (ULSD, 10ppm kén) vonatkozó specifikációk teljesítéséhez szükséges.

Oxidatív kéntelenítés (ODS)

A hidrogén-peroxiddal végzett oxidatív kéntelenítés és az azt követő oldószeres extrakció kétlépcsős mély-kéntelenítési technológia, amely a tüzelőolajokban található szerves kénvegyületek mennyiségének csökkentésére szolgál. A Hielscher ultrahangos reaktorait mindkét lépcsőben alkalmazzák a fázisátviteli reakciókinetika javítására és az oldódási sebesség növelésére folyadék–folyadék fázisrendszerekben.

Az ultrahanggal támogatott oxidatív kéntelenítés folyamatábrája – 2 lépcső

Az ultrahanggal támogatott oxidatív kéntelenítés első lépcsőjében hidrogén-peroxidot használnak oxidálószerként, hogy a tüzelőolajokban jelen lévő kéntartalmú molekulákat enyhe körülmények között szelektíven a megfelelő szulfoxidokká vagy szulfonokká oxidálják, és polaritásuk növelésével fokozzák oldhatóságukat poláris oldószerekben. Ebben a lépcsőben a poláris vizes fázis és az apoláris szerves fázis kölcsönös oldhatatlansága jelentős problémát jelent az oxidatív kéntelenítés folyamatában, mivel a két fázis csak a fázishatáron reagál egymással. Ultrahang nélkül ez kis reakciósebességet és a szerves kénvegyületek lassú átalakulását eredményezi ebben a kétfázisú rendszerben.

Ultrahangos emulgeálás

Az olajfázist és a vizes fázist összekeverik, majd statikus keverőbe szivattyúzzák, hogy állandó térfogatarányú alapemulziót állítsanak elő, amelyet ezután az ultrahangos keverőreaktorba vezetnek. Ott az ultrahangos kavitáció nagy hidraulikus nyíróerőket hoz létre, és a vizes fázist szubmikronos és nanoméretű cseppekre bontja. Mivel a fázishatár fajlagos felülete befolyásolja a kémiai reakció sebességét, a cseppátmérő ilyen jelentős csökkenése javítja a reakciókinetikát, és csökkenti vagy megszünteti a fázisátviteli szerek iránti igényt. Ultrahang alkalmazásával csökkenthető a peroxid térfogatszázalékos aránya, mivel a finomabb emulziók kisebb térfogat mellett biztosítanak ugyanakkora érintkezési felületet az olajfázissal.

Ultrahanggal támogatott oxidáció

Az ultrahangos kavitáció intenzív helyi felmelegedést (~5000K), nagy nyomást (~1000atm), rendkívül nagy felmelegedési és lehűlési sebességet (>10⁹ K/sec), valamint folyadéksugarakat (~1000 km/h) hoz létre. Ez a rendkívül reaktív környezet az olajfázisban lévő tioféneket gyorsabban és teljesebben oxidálja polárisabb szulfoxidokká és szulfonokká. A katalizátorok tovább támogathatják az oxidációs folyamatot, de nem nélkülözhetetlenek. Kimutatták, hogy az amfifil emulziós katalizátorok vagy fázisátviteli katalizátorok (PTC), például a kvaterner ammóniumsók, amelyek egyedülálló módon vizes és szerves folyadékokban egyaránt képesek oldódni, az oxidálószerrel társulva azt a határfelületi fázisból a reakciófázisba szállítják, ezáltal növelve a reakciósebességet. A dízelüzemanyagok oxidatív kéntelenítésének hatékonysága Fenton-reagens hozzáadásával fokozható, és ez a reagens kedvező szinergikus hatást mutat az ultrahangos oxidációs kezeléssel.

Fokozott anyagátadás nagy teljesítményű ultrahanggal

Amikor a szerves kénvegyületek a fázishatáron reagálnak, a szulfoxidok és szulfonok felhalmozódnak a vizes cseppek felületén, és megakadályozzák, hogy más kénvegyületek kölcsönhatásba lépjenek a vizes fázissal. A kavitációs folyadéksugarak és az akusztikus áramlás által keltett hidraulikus nyíróerők turbulens áramlást és a cseppfelületek felé, illetve azoktól elfelé irányuló anyagszállítást eredményeznek, továbbá ismételt összeolvadáshoz és azt követően új cseppek kialakulásához vezetnek. Ahogy az oxidáció időben előrehalad, az ultrahangos kezelés maximalizálja a reagensek érintkezését és kölcsönhatását.

Szulfonok fázisátviteli extrakciója

Az oxidáció és a vizes fázistól (H2O2) való elválasztás után a második lépcsőben a szulfonok poláris oldószerrel, például acetonitrillel extrahálhatók. A szulfonok nagyobb polaritásuk miatt a két fázis közötti fázishatáron át az oldószerfázisba kerülnek. Az első lépcsőhöz hasonlóan a Hielscher ultrahangos reaktorai fokozzák a folyadék–folyadék extrakciót azáltal, hogy az oldószerfázisból finom cseppméretű, turbulens emulziót hoznak létre az olajfázisban. Ez növeli a fázisok érintkezési felületét, és extrakciót, valamint csökkent oldószer-felhasználást eredményez.

A laboratóriumi vizsgálatoktól a kísérleti üzemi méretig és a termelésig

A Hielscher Ultrasonics berendezéseket kínál e technológia bármely méretben történő teszteléséhez, ellenőrzéséhez és alkalmazásához. A folyamat alapvetően mindössze 4 lépésből áll.

1. Keverje össze az olajat H2O2-vel, és végezzen ultrahangos kezelést a kénvegyületek oxidálásához
2. Centrifugálással válassza el a vizes fázist
3. Keverje össze az olajfázist az oldószerrel, és végezzen ultrahangos kezelést a szulfonok extrahálásához
4. Centrifugálással válassza el a szulfonokat tartalmazó oldószerfázist

Laboratóriumi méretben UP200Ht készüléket használhat az elv bemutatására és az alapvető paraméterek, például a peroxidkoncentráció, a folyamathőmérséklet, az ultrahangos kezelés időtartama és intenzitása, valamint a katalizátor- vagy oldószer-felhasználás beállítására.
Laborasztali méretben egy nagy teljesítményű ultrahangos készülék, például a UIP1000hdT vagy a UIP2000hdT lehetővé teszi mindkét lépcső egymástól független szimulálását 100–1000L/hr (25–250 gal/hr) térfogatáram mellett, valamint a folyamat és az ultrahangos kezelés paramétereinek optimalizálását. A Hielscher ultrahangos berendezéseit úgy tervezték, hogy a feldolgozási mennyiségek lineárisan növelhetők legyenek kísérleti üzemi vagy termelési méretre. A Hielscher rendszerei bizonyítottan megbízhatóan működnek nagy mennyiségek feldolgozása során, beleértve az üzemanyag-finomítást is. A Hielscher konténeres rendszereket gyárt, amelyekben több nagy teljesítményű, 10kW-os vagy 16kW-os készülékünket berendezéscsoportokká kapcsoljuk össze az egyszerű integráció érdekében. A veszélyes környezet követelményeinek megfelelő kivitelek is rendelkezésre állnak. Az alábbi táblázat a feldolgozási térfogatokat és az ajánlott berendezésméreteket sorolja fel.

192 kW összteljesítményű, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekből álló rendszer nyersolajok kéntelenítésére