Ultradźwiękowa alternatywa dla hydroodsiarczania

Rafinerie ropy naftowej mierzą się z rosnącymi dostawami zasiarczonej ropy naftowej, tak zwanej ropy kwaśnej, podczas gdy przepisy środowiskowe jednocześnie wymuszają obniżenie zawartości siarki w benzynie. Równocześnie koszty konwencjonalnego hydroodsiarczania (HDS) rosną ze względu na zapotrzebowanie na wodór. Obróbka z wykorzystaniem kawitacji ultradźwiękowej jest skuteczną alternatywną metodą usuwania siarki z ropy naftowej.

Spełnianie norm zawartości siarki w ropie dzięki sonikacji

Paliwa kopalne zawierają związki siarki. Powstają one w wyniku rozkładu materii biologicznej zawierającej siarkę podczas naturalnego powstawania paliw kopalnych.

Pojazdy, takie jak samochody, statki powietrzne i jednostki pływające, a także elektrownie powodują emisję dwutlenku siarki (SO2) w wyniku spalania paliw ropopochodnych. Ta sama siarka – nawet w bardzo niskich stężeniach – powoduje uszkodzenia katalizatorów z metali szlachetnych w późniejszym procesie reformingu katalitycznego w rafineriach ropy naftowej. Najnowsze przepisy środowiskowe wymagają bardzo głębokiego odsiarczania, aby spełnić specyfikacje oleju napędowego o ultraniskiej zawartości siarki (ULSD).
 

Instalacja sonikatorów dużej mocy o łącznej mocy 192 kW do odsiarczania ropy naftowej

Podstawy – hydroodsiarczanie (HDS)

Hydroodsiarczanie (HDS) jest standardowym procesem katalitycznym służącym do usuwania siarki z produktów ropopochodnych. W tym procesie zasiarczone frakcje ropy naftowej miesza się z wodorem i katalizatorem, aby w wyniku reakcji powstał siarkowodór. Zazwyczaj katalizator składa się z nośnika z tlenku glinu impregnowanego kobaltem i molibdenem. W miarę wzrostu zawartości siarki w dostarczanej ropie odsiarczanie wymaga wyższych ciśnień i alternatywnych katalizatorów. Trudno reagujących aromatycznych związków siarki (np. 4,6-dimetylodibenzotiofenu) nie można usunąć za pomocą hydroodsiarczania ze względu na ich niską reaktywność.

Odsiarczanie wspomagane ultradźwiękami

Alternatywą dla hydroodsiarczania jest odsiarczanie wspomagane ultradźwiękami. Poddawanie cieczy działaniu fal ultradźwiękowych o wysokim natężeniu powoduje kawitację akustyczną. Polega ona na powstawaniu, a następnie gwałtownym zapadaniu się małych pęcherzyków próżniowych (kawitacyjnych). Gwałtowne zapadanie się każdego pęcherzyka prowadzi do powstania lokalnie ekstremalnych warunków:

• Temperatura: do 5000 kelwinów
• Ciśnienie: do 2000 atmosfer
• Strumienie cieczy: do 1000km/hr.

Takie warunki sprzyjają poprawie procesów chemicznych na powierzchni katalizatorów dzięki intensywniejszemu mikromieszaniu. W szczególności wysokie temperatury lokalne zmieniają kinetykę reakcji chemicznych w procesie odsiarczania. Efekt ten umożliwia stosowanie alternatywnych – tańszych – katalizatorów lub alternatywnych reakcji chemicznych odsiarczania. Deshpande i współautorzy (2004) badają układ utleniający złożony z węglanu sodu i nadtlenku wodoru w dwufazowym układzie oleju napędowego i acetonitrylu. Układ dwufazowy poddano sonikacji. W badaniu osiągnięto zmniejszenie zawartości DMDBT w próbkach oleju napędowego o ponad 90%.

Wysokowydajny sonikator do odsiarczania ropy naftowej

Hielscher jest wiodącym na świecie dostawcą sonikatorów o dużej wydajności. Ponieważ Hielscher projektuje i produkuje wysokowydajne procesory ultradźwiękowe o mocy do 16kW na pojedyncze urządzenie, nie ma ograniczeń co do wielkości instalacji ani wydajności przetwarzania. Zespoły kilku systemów o mocy 16kW są wykorzystywane do przetwarzania większych przepływów objętościowych. Przemysłowe przetwarzanie paliw nie wymaga dużej ilości energii ultradźwiękowej. Rzeczywiste zapotrzebowanie na energię można określić za pomocą sonikatora stołowego, takiego jak UIP1000hdT. Wszystkie wyniki takich prób z urządzeniami stołowymi można skalować w całkowicie liniowy sposób, co ułatwia wdrożenie procesu odsiarczania ultradźwiękowego w przemysłowej skali produkcji.

W razie potrzeby dostępne są sonikatory z certyfikatem ATEX (np. UIP1000-Exd) do sonikacji w środowiskach zagrożonych wybuchem.

Koszty sonikacji

Sonikacja jest skuteczną technologią przetwarzania. Koszty przetwarzania ultradźwiękowego wynikają głównie z nakładów inwestycyjnych
na urządzenia ultradźwiękowe, kosztów mediów i konserwacji. Wyjątkowa sprawność energetyczna (zob. wykres) urządzeń ultradźwiękowych Hielscher pomaga obniżyć koszty mediów.

Literatura

Deshpande, A., Bassi, A., Prakash, A. (2004): Wspomagane ultradźwiękami, katalizowane zasadą utlenianie 4,6-dimetylodibenzotiofenu w dwufazowym układzie olej napędowy–acetonitryl; w: Energy Fuels, 19 (1), 28–34, 2005.

Mei H., Mei B.W., Yen T.F. (2003): Nowa metoda otrzymywania oleju napędowego o ultraniskiej zawartości siarki poprzez odsiarczanie oksydacyjne wspomagane ultradźwiękami; w: Fuel, tom 82, numer 4, March 2003, s. 405–414(10), 2003.