Ultrasoon alternatief voor hydro-ontzwaveling

Olieraffinaderijen krijgen te maken met een toenemende aanvoer van zwavelhoudende ruwe olie, zogenoemde zure ruwe olie, terwijl milieuregelgeving tegelijkertijd een lager zwavelgehalte in benzine vereist. Tegelijkertijd stijgen de kosten van conventionele hydro-ontzwaveling (HDS) vanwege de benodigde waterstof. Behandeling met ultrasone cavitatie is een effectieve alternatieve methode om zwavel uit ruwe olie te verwijderen.

Met sonicatie voldoen aan de zwavelnormen voor olie

Fossiele brandstoffen bevatten zwavelverbindingen. Deze ontstaan door de afbraak van zwavelhoudend biologisch materiaal tijdens de natuurlijke vorming van fossiele brandstoffen.

Voertuigen, zoals auto’s, vliegtuigen en schepen, of elektriciteitscentrales veroorzaken de uitstoot van zwaveldioxide (SO2) door de verbranding van brandstoffen op basis van aardolie. Diezelfde zwavel veroorzaakt – zelfs in zeer lage concentraties – schade aan edelmetaalkatalysatoren bij de daaropvolgende katalytische reforming in olieraffinaderijen. De nieuwste milieuregelgeving vereist een zeer vergaande ontzwaveling om aan de specificaties voor diesel met een ultralaag zwavelgehalte (ULSD) te voldoen.
 

Installatie met 192 kW aan sonicators met hoog vermogen voor de ontzwaveling van ruwe oliën

Achtergrond – hydro-ontzwaveling (HDS)

Hydro-ontzwaveling (HDS) is het standaard katalytische proces voor de verwijdering van zwavel uit aardolieproducten. Bij dit proces worden de zwavelhoudende fracties van de ruwe olie gemengd met waterstof en een katalysator, zodat ze reageren tot waterstofsulfide. De katalysator bestaat doorgaans uit een aluminiumoxidebasis die met kobalt en molybdeen is geïmpregneerd. Naarmate de aangevoerde olie zuurder wordt, zijn hogere drukken en alternatieve katalysatoren nodig voor de ontzwaveling. Moeilijk reagerende aromatische zwavelverbindingen (bijv. 4,6-dimethyldibenzothiofeen) kunnen vanwege hun lage reactiviteit niet door hydro-ontzwaveling worden verwijderd.

Ultrasoon ondersteunde ontzwaveling

Een alternatief voor hydro-ontzwaveling is ultrasoon ondersteunde ontzwaveling. Blootstelling van vloeistoffen aan ultrasone golven met hoge intensiteit veroorzaakt akoestische cavitatie. Dit is de vorming en daaropvolgende hevige implosie van kleine vacuümbellen (cavitatiebellen). Door de hevige implosie van elke bel ontstaan plaatselijk extreme omstandigheden:

• Temperatuur: tot 5000 kelvin
• Druk: tot 2000 atmosfeer
• Vloeistofstralen: tot 1000km/hr.

Dergelijke omstandigheden bevorderen een betere oppervlaktechemie van katalysatoren door intensievere micromenging. Vooral de hoge lokale temperaturen veranderen de chemische reactiekinetiek van het ontzwavelingsproces. Dankzij dit effect kunnen alternatieve – goedkopere – katalysatoren of alternatieve ontzwavelingschemie worden gebruikt. Deshpande et al. (2004) onderzoeken een oxidatief systeem bestaande uit natriumcarbonaat en waterstofperoxide in een tweefasensysteem van diesel en acetonitril. Op het tweefasensysteem werd sonicatie toegepast. In het onderzoek werd het DMDBT-gehalte in de dieselmonsters met meer dan 90% verlaagd.

Sonicator met hoge prestaties voor de ontzwaveling van ruwe olie

Hielscher is wereldwijd de toonaangevende leverancier van sonicators met hoge capaciteit. Omdat Hielscher ultrasone processoren met hoge prestaties en een vermogen tot 16kW per afzonderlijk apparaat ontwerpt en produceert, is er geen limiet aan de installatiegrootte of verwerkingscapaciteit. Clusters van meerdere 16kW-systemen worden gebruikt voor de verwerking van grotere volumestromen. Industriële brandstofverwerking vereist niet veel ultrasone energie. De werkelijke energiebehoefte kan worden bepaald met een tafelmodel sonicator zoals de UIP1000hdT. Alle resultaten van dergelijke proeven met tafelmodellen kunnen volledig lineair worden opgeschaald, wat de invoering van het ultrasone ontzwavelingsproces op industriële productieschaal vergemakkelijkt.

Indien nodig zijn ATEX-gecertificeerde sonicators (bijv. UIP1000-Exd) beschikbaar voor sonicatie in gevaarlijke omgevingen.

Kosten van sonicatie

Sonicatie is een effectieve verwerkingstechnologie. De kosten van ultrasone verwerking bestaan voornamelijk uit de investering
in ultrasone apparaten, nutsvoorzieningskosten en onderhoud. De uitstekende energie-efficiëntie (zie grafiek) van de ultrasone apparaten van Hielscher helpt de nutsvoorzieningskosten te verlagen.

Literatuur

Deshpande, A., Bassi, A., Prakash, A. (2004): Ultrasoon ondersteunde, basegekatalyseerde oxidatie van 4,6-dimethyldibenzothiofeen in een tweefasensysteem van diesel en acetonitril; in: Energy Fuels, 19 (1), 28–34, 2005.

Mei H., Mei B.W., Yen T.F. (2003): Een nieuwe methode voor het verkrijgen van dieselbrandstof met een ultralaag zwavelgehalte via ultrasoon ondersteunde oxidatieve ontzwaveling; in: Fuel, Volume 82, Number 4, March 2003, pp. 405–414(10), 2003.