Desulfurisasi Oksidatif Berbantuan Ultrasonik (UAODS)

Senyawa yang mengandung sulfur dalam minyak mentah, minyak bumi, diesel, dan bahan bakar minyak lainnya meliputi sulfida, tiol, tiofena, benzo- dan dibenzotiofena tersubstitusi (BT dan DBT), benzonaftotiofena (BNT), serta banyak molekul yang lebih kompleks lainnya, dengan tiofena terkondensasi sebagai bentuk yang paling umum. Reaktor ultrasonik Hielscher membantu proses desulfurisasi oksidatif mendalam yang diperlukan untuk memenuhi peraturan lingkungan yang ketat saat ini dan spesifikasi diesel dengan kandungan sulfur sangat rendah (ULSD, sulfur 10ppm).

Desulfurisasi Oksidatif (ODS)

Desulfurisasi oksidatif dengan hidrogen peroksida yang diikuti ekstraksi pelarut merupakan teknologi desulfurisasi mendalam dua tahap untuk mengurangi jumlah senyawa organosulfur dalam bahan bakar minyak. Reaktor ultrasonik Hielscher digunakan pada kedua tahap untuk meningkatkan kinetika reaksi transfer fase dan laju pelarutan dalam sistem fase cair-cair.

Diagram Alir Desulfurisasi Oksidatif Berbantuan Ultrasonik – 2 Tahap

Pada tahap pertama desulfurisasi oksidatif berbantuan ultrasonik, hidrogen peroksida digunakan sebagai oksidator untuk secara selektif mengoksidasi molekul yang mengandung sulfur dalam bahan bakar minyak menjadi sulfoksida atau sulfon yang bersesuaian dalam kondisi ringan, guna meningkatkan kelarutannya dalam pelarut polar melalui peningkatan polaritasnya. Pada tahap ini, ketidaklarutan antara fase air yang polar dan fase organik yang nonpolar merupakan masalah penting dalam proses desulfurisasi oksidatif karena kedua fase hanya bereaksi satu sama lain pada antarmuka. Tanpa ultrasonik, hal ini menyebabkan laju reaksi yang rendah dan konversi organosulfur yang lambat dalam sistem dua fase ini.

Emulsifikasi Ultrasonik

Fase minyak dan fase air dicampur dan dipompa ke dalam pencampur statis untuk menghasilkan emulsi dasar dengan rasio volume konstan, yang kemudian diumpankan ke reaktor pencampuran ultrasonik. Di dalamnya, kavitasi ultrasonik menghasilkan gaya geser hidraulik yang tinggi dan memecah fase air menjadi droplet berukuran submikron dan nano. Karena luas permukaan spesifik batas fase memengaruhi laju reaksi kimia, pengurangan diameter droplet yang signifikan ini meningkatkan kinetika reaksi serta mengurangi atau menghilangkan kebutuhan akan agen transfer fase. Dengan menggunakan ultrasonik, persentase volume peroksida dapat diturunkan karena emulsi yang lebih halus membutuhkan volume yang lebih sedikit untuk menyediakan luas permukaan kontak yang sama dengan fase minyak.

Oksidasi Berbantuan Ultrasonik

Kavitasi ultrasonik menghasilkan pemanasan lokal yang intens (~5000K), tekanan tinggi (~1000atm), laju pemanasan dan pendinginan yang sangat tinggi (>10⁹ K/sec), serta aliran jet cairan (~1000 km/h). Lingkungan yang sangat reaktif ini mengoksidasi tiofena dalam fase minyak dengan lebih cepat dan lebih tuntas menjadi sulfoksida dan sulfon yang lebih polar. Katalis dapat lebih lanjut membantu proses oksidasi, tetapi tidak mutlak diperlukan. Katalis emulsi amfifilik atau katalis transfer fase (PTC), seperti garam amonium kuarterner dengan kemampuan uniknya untuk larut dalam cairan berair maupun organik, telah terbukti dapat berasosiasi dengan oksidator dan memindahkannya dari fase antarmuka ke fase reaksi, sehingga meningkatkan laju reaksi. Reagen Fenton dapat ditambahkan untuk meningkatkan efisiensi desulfurisasi oksidatif bahan bakar diesel dan menunjukkan efek sinergis yang baik dengan pemrosesan sono-oksidasi.

Peningkatan Transfer Massa dengan Ultrasonik Berdaya Tinggi

Ketika senyawa organosulfur bereaksi pada batas fase, sulfoksida dan sulfon terakumulasi pada permukaan droplet air dan menghalangi senyawa sulfur lainnya untuk berinteraksi pada fase air. Gaya geser hidraulik yang disebabkan oleh aliran jet kavitasi dan aliran akustik menghasilkan aliran turbulen serta perpindahan material dari dan menuju permukaan droplet, dan menyebabkan koalesensi berulang yang diikuti pembentukan droplet baru. Seiring berlangsungnya oksidasi, sonikasi memaksimalkan paparan dan interaksi reagen.

Ekstraksi Sulfon melalui Transfer Fase

Setelah oksidasi dan pemisahan dari fase air (H2O2), sulfon dapat diekstraksi menggunakan pelarut polar, seperti asetonitril, pada tahap kedua. Sulfon akan berpindah pada batas antara kedua fase menuju fase pelarut karena polaritasnya yang lebih tinggi. Seperti pada tahap pertama, reaktor ultrasonik Hielscher meningkatkan ekstraksi cair-cair dengan membentuk emulsi turbulen berdroplet halus dari fase pelarut dalam fase minyak. Hal ini meningkatkan luas permukaan kontak antarfase dan menghasilkan ekstraksi serta mengurangi penggunaan pelarut.

Dari Pengujian Laboratorium hingga Skala Pilot dan Produksi

Hielscher Ultrasonics menawarkan peralatan untuk menguji, memverifikasi, dan memanfaatkan teknologi ini pada skala apa pun. Pada dasarnya, proses ini dilakukan hanya dalam 4 langkah.

1. Campurkan minyak dengan H2O2 dan lakukan sonikasi untuk mengoksidasi senyawa sulfur
2. Lakukan sentrifugasi untuk memisahkan fase air
3. Campurkan fase minyak dengan pelarut dan lakukan sonikasi untuk mengekstraksi sulfon
4. Lakukan sentrifugasi untuk memisahkan fase pelarut yang mengandung sulfon

Pada skala laboratorium, Anda dapat menggunakan UP200Ht untuk mendemonstrasikan konsep dan menyesuaikan parameter dasar, seperti konsentrasi peroksida, suhu proses, waktu dan intensitas sonikasi, serta penggunaan katalis atau pelarut.
Pada skala meja laboratorium, sonikator berdaya tinggi seperti UIP1000hdT atau UIP2000hdT memungkinkan simulasi kedua tahap secara independen pada laju alir 100 hingga 1000L/hr (25 hingga 250 gal/hr) serta optimasi parameter proses dan sonikasi. Peralatan ultrasonik Hielscher dirancang untuk peningkatan skala secara linear ke volume pemrosesan yang lebih besar pada skala pilot atau produksi. Instalasi Hielscher terbukti bekerja dengan andal untuk proses bervolume besar, termasuk pengilangan bahan bakar. Hielscher memproduksi sistem dalam kontainer yang menggabungkan beberapa perangkat berdaya tinggi 10kW atau 16kW kami menjadi kelompok perangkat untuk memudahkan integrasi. Desain untuk memenuhi persyaratan lingkungan berbahaya juga tersedia. Tabel di bawah mencantumkan volume pemrosesan dan ukuran peralatan yang direkomendasikan.

Instalasi sonikator berdaya tinggi dengan daya 192 kW untuk desulfurisasi minyak mentah