초음파 보조 산화 탈황(UAODS)

원유, 석유, 디젤 및 기타 연료유에 함유된 황 함유 화합물에는 황화물, 티올, 티오펜, 치환된 벤조티오펜 및 디벤조티오펜(BTs 및 DBTs), 벤조나프토티오펜(BNT), 그리고 그 밖의 훨씬 더 복잡한 분자들이 포함되며, 이 중 축합 티오펜이 가장 흔한 형태입니다. Hielscher 초음파 반응기는 오늘날의 엄격한 환경 규제와 초저유황 디젤(ULSD, 황 함량 10ppm) 규격을 충족하는 데 필요한 산화 심도 탈황 공정을 지원합니다.

산화 탈황(ODS)

과산화수소를 이용한 산화 탈황과 그 후의 용매 추출은 연료유 내 유기황 화합물의 양을 줄이는 두 단계 심도 탈황 기술입니다. Hielscher 초음파 반응기는 두 단계 모두에서 액체–액체 상 시스템의 상간 이동 반응 속도와 용해 속도를 개선하는 데 사용됩니다.

초음파 보조 산화 탈황 공정도 – 2단계

초음파 보조 산화 탈황의 첫 번째 단계에서는 과산화수소를 산화제로 사용하여 온화한 조건에서 연료유에 존재하는 황 함유 분자를 해당 설폭사이드 또는 설폰으로 선택적으로 산화시킵니다. 이렇게 하면 분자의 극성이 증가하여 극성 용매에 대한 용해도가 높아집니다. 이 단계에서는 극성 수상과 비극성 유기상이 서로 섞이지 않는다는 점이 산화 탈황 공정의 중요한 문제입니다. 두 상은 오직 계면에서만 서로 반응하기 때문입니다. 초음파를 사용하지 않으면 이 이상계에서 반응 속도가 낮고 유기황의 전환이 느려집니다.

초음파 유화

유상과 수상을 혼합하여 정적 혼합기로 펌핑하면 일정한 부피비의 기본 에멀젼이 생성되고, 이를 초음파 혼합 반응기에 공급합니다. 반응기 내부에서는 초음파 캐비테이션이 높은 수력학적 전단을 발생시켜 수상을 서브마이크론 및 나노 크기의 액적으로 분해합니다. 상 경계의 비표면적이 화학 반응 속도에 영향을 미치므로, 이처럼 액적 직경을 크게 줄이면 반응 속도가 개선되고 상간 이동제의 필요성이 줄어들거나 없어집니다. 더 미세한 에멀젼은 더 적은 부피로도 유상과 동일한 접촉 표면적을 제공할 수 있으므로, 초음파를 사용하면 과산화물의 부피 백분율을 낮출 수 있습니다.

초음파 보조 산화

초음파 캐비테이션은 강력한 국소 가열(~5000K), 고압(~1000atm), 매우 높은 가열 및 냉각 속도(>10⁹ K/sec), 그리고 액체 제트 흐름(~1000 km/h)을 발생시킵니다. 반응성이 매우 높은 이러한 환경은 유상의 티오펜을 극성이 더 높은 설폭사이드와 설폰으로 더 빠르고 더 완전하게 산화시킵니다. 촉매는 산화 공정을 추가로 촉진할 수 있지만 필수적이지는 않습니다. 수성 액체와 유기 액체 모두에 용해되는 고유한 특성을 지닌 사차 암모늄염과 같은 양친매성 유화 촉매 또는 상간 이동 촉매(PTC)는 산화제와 결합하여 이를 계면상에서 반응상으로 운반함으로써 반응 속도를 높이는 것으로 나타났습니다. 디젤 연료의 산화 탈황 효율을 높이기 위해 펜톤 시약을 첨가할 수 있으며, 이는 초음파 산화 처리와 우수한 상승효과를 보입니다.

고출력 초음파를 통한 물질 전달 향상

유기황 화합물이 상 경계에서 반응하면 설폭사이드와 설폰이 수상 액적 표면에 축적되어 다른 황 화합물이 수상에서 상호작용하는 것을 막습니다. 캐비테이션 제트 흐름과 음향 유동에 의해 발생하는 수력학적 전단은 난류와 액적 표면으로 유입되거나 표면에서 유출되는 물질 이동을 일으키며, 액적의 합체와 그에 이은 새로운 액적 형성을 반복적으로 유도합니다. 시간이 지남에 따라 산화가 진행되면서 초음파 처리는 반응물의 노출과 상호작용을 극대화합니다.

설폰의 상간 이동 추출

산화 및 수상(H2O2)과의 분리가 끝나면 두 번째 단계에서 아세토니트릴과 같은 극성 용매를 사용하여 설폰을 추출할 수 있습니다. 설폰은 극성이 더 높기 때문에 두 상 사이의 상 경계에서 용매상으로 이동합니다. 첫 번째 단계와 마찬가지로, Hielscher 초음파 반응기는 유상 내에 용매상의 미세한 난류 에멀젼을 형성하여 액체–액체 추출을 촉진합니다. 이는 상간 접촉 표면적을 늘려 추출을 이루고 용매 사용량을 줄입니다.

실험실 시험에서 파일럿 규모와 생산까지

Hielscher Ultrasonics는 모든 규모에서 이 기술을 시험하고 검증하며 활용할 수 있는 장비를 제공합니다. 기본적으로 단 4단계로 이루어집니다.

1. 오일과 H2O2를 혼합하고 초음파 처리하여 황 화합물을 산화시킵니다
2. 원심분리하여 수상을 분리합니다
3. 유상과 용매를 혼합하고 초음파 처리하여 설폰을 추출합니다
4. 원심분리하여 설폰이 포함된 용매상을 분리합니다

실험실 규모에서는 UP200Ht를 사용하여 개념을 실증하고 과산화물 농도, 공정 온도, 초음파 처리 시간과 강도, 촉매 또는 용매 사용량 등의 기본 매개변수를 조정할 수 있습니다.
벤치톱 규모에서는 UIP1000hdT 또는 UIP2000hdT와 같은 강력한 초음파 처리기를 사용하여 100–1000L/hr(25–250 gal/hr)의 유량에서 두 단계를 각각 독립적으로 모사하고 공정 및 초음파 처리 매개변수를 최적화할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비는 파일럿 또는 생산 규모에서 더 큰 처리 부피로 선형 확장할 수 있도록 설계되었습니다. Hielscher 설비는 연료 정제를 포함한 대용량 공정에서 안정적으로 작동하는 것으로 입증되었습니다. Hielscher는 간편한 통합을 위해 당사의 고출력 10kW 또는 16kW 장치 여러 대를 클러스터로 결합한 컨테이너형 시스템을 생산합니다. 위험 환경 요건을 충족하는 설계도 제공됩니다. 아래 표에는 처리 부피와 권장 장비 규모가 나와 있습니다.

원유 탈황을 위한 192 kW 고출력 초음파 처리기 설비