水素化脱硫に代わる超音波技術

石油精製所では、サワー原油と呼ばれる硫黄分を含む原油の供給が増加する一方、環境規制によってガソリンの硫黄含有量の低減が求められています。同時に、従来の水素化脱硫（HDS）のコストも、必要となる水素のために上昇しています。超音波キャビテーション処理は、原油から硫黄を除去するための効果的な代替手法です。

超音波処理で石油の硫黄基準を満たす

化石燃料には硫黄化合物が含まれています。これらは、化石燃料が自然に形成される過程で、硫黄を含む生物由来の物質が分解されることによって生じます。

自動車、航空機、船舶などの輸送機関や発電所は、石油系燃料の燃焼によって二酸化硫黄（SO2）を排出します。この硫黄は、ごく低濃度であっても、石油精製所の下流工程における接触改質で使用される貴金属触媒を損傷させます。最新の環境規制では、超低硫黄ディーゼル（ULSD）の仕様を満たすために、極めて高度な脱硫が求められています。
 

原油の脱硫用に、合計192 kWの高出力超音波処理装置を設置した設備

背景 – 水素化脱硫（HDS）

水素化脱硫（HDS） は、石油製品から硫黄を除去するための標準的な触媒プロセスです。このプロセスでは、原油の硫黄を含む留分を水素および触媒と混合し、反応させて硫化水素を生成します。通常、触媒はコバルトとモリブデンを含浸させたアルミナ担体で構成されます。供給される原油の硫黄分が増えるにつれて、脱硫にはより高い圧力と代替触媒が必要になります。難反応性の芳香族硫黄化合物（例：4,6-dimethyldibenzothiophene）は、反応性が低いため、水素化脱硫では除去できません。

超音波援用脱硫

水素化脱硫の代替手法として、超音波援用脱硫があります。液体に高強度の超音波を照射すると、音響キャビテーションが発生します。これは、微小な真空気泡（キャビテーション気泡）が形成され、その後激しく崩壊する現象です。各気泡の激しい崩壊によって、局所的に極端な条件が生じます。

• 温度：最大5000ケルビン
• 圧力：最大2000気圧
• 液体ジェット：最大1000km/hr.

このような条件は、微視的な混合を強化することで、触媒表面の化学反応を改善します。特に、局所的な高温は、脱硫プロセスの化学反応速度論を変化させます。この効果によって、より安価な代替触媒や、別の脱硫反応系を利用できるようになります。Deshpandeら（2004）は、ディーゼルとアセトニトリルの二相系において、炭酸ナトリウムと過酸化水素からなる酸化系を調査しています。この二相系に超音波処理を適用しました。この研究では、ディーゼル試料中のDMDBT含有量を90%を超えて低減できました。

原油の脱硫用高性能超音波処理装置

Hielscherは、大容量超音波処理装置の世界をリードするサプライヤーです。Hielscherは、単一装置あたり最大16kWの出力を持つ高性能超音波処理装置を設計・製造しているため、プラントの規模や処理能力に制限はありません。複数の16kWシステムを組み合わせたクラスターが、より大きな体積流量の処理に使用されています。工業的な燃料処理には、多くの超音波エネルギーを必要としません。実際に必要なエネルギー量は、UIP1000hdTなどの卓上型超音波処理装置を使用して測定できます。このような卓上試験の結果はすべて、完全に線形にスケールアップできるため、工業生産規模で超音波脱硫プロセスを導入しやすくなります。

必要に応じて、危険場所での超音波処理に使用できるATEX認証済み超音波処理装置（例：UIP1000-Exd）も提供しています。

超音波処理のコスト

超音波処理は、効果的な処理技術です。超音波処理のコストは、主に超音波装置への投資、ユーティリティ費用、保守費用からなります。優れたエネルギー効率（ 図参照）により、Hielscherの超音波装置はユーティリティ費用の削減に役立ちます。

文献

Deshpande, A., Bassi, A., Prakash, A. (2004): ディーゼル–アセトニトリル二相系における4,6-Di­methyl­di­ben­zothio­pheneの超音波援用塩基触媒酸化；掲載誌：Energy Fuels, 19 (1), 28–34, 2005.

Mei H., Mei B.W., Yen T.F. (2003): 超音波援用酸化脱硫によって超低硫黄ディーゼル燃料を得る新しい方法；掲載誌：Fuel, 第82巻、第4号、March 2003、pp. 405–414(10), 2003.