การกำจัดกำมะถันด้วยออกซิเดชันที่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วย (UAODS)

สารประกอบที่มีกำมะถันในน้ำมันดิบ ปิโตรเลียม น้ำมันดีเซล และน้ำมันเชื้อเพลิงชนิดอื่น ๆ ได้แก่ ซัลไฟด์ ไทออล ไทโอฟีน เบนโซไทโอฟีนและไดเบนโซไทโอฟีนที่มีหมู่แทนที่ (BTs และ DBTs) เบนโซแนฟโทไทโอฟีน (BNT) และโมเลกุลที่ซับซ้อนอีกมากมาย โดยไทโอฟีนที่มีวงแหวนควบแน่นเป็นรูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุด เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยในกระบวนการกำจัดกำมะถันระดับลึกด้วยออกซิเดชัน ซึ่งจำเป็นต่อการปฏิบัติตามกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดในปัจจุบันและข้อกำหนดของน้ำมันดีเซลที่มีกำมะถันต่ำมาก (ULSD, กำมะถัน 10ppm)

การกำจัดกำมะถันด้วยออกซิเดชัน (ODS)

การกำจัดกำมะถันด้วยออกซิเดชันโดยใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ตามด้วยการสกัดด้วยตัวทำละลาย เป็นเทคโนโลยีการกำจัดกำมะถันระดับลึกแบบสองขั้นตอน เพื่อลดปริมาณสารประกอบกำมะถันอินทรีย์ในน้ำมันเชื้อเพลิง เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ใช้ในทั้งสองขั้นตอนเพื่อปรับปรุงจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาการถ่ายโอนระหว่างเฟสและอัตราการละลายในระบบเฟสของเหลว–ของเหลว

แผนผังกระบวนการกำจัดกำมะถันด้วยออกซิเดชันที่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วย – 2 ขั้นตอน

ในขั้นตอนแรกของการกำจัดกำมะถันด้วยออกซิเดชันที่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วย ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์เพื่อออกซิไดซ์โมเลกุลที่มีกำมะถันในน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างเลือกจำเพาะ ให้เป็นซัลฟอกไซด์หรือซัลโฟนที่สอดคล้องกันภายใต้สภาวะไม่รุนแรง เพื่อเพิ่มความสามารถในการละลายในตัวทำละลายมีขั้วโดยเพิ่มความมีขั้วของโมเลกุลเหล่านี้ ในขั้นตอนนี้ การที่เฟสน้ำที่มีขั้วและเฟสอินทรีย์ที่ไม่มีขั้วไม่ละลายเข้ากันเป็นปัญหาสำคัญในกระบวนการกำจัดกำมะถันด้วยออกซิเดชัน เนื่องจากทั้งสองเฟสทำปฏิกิริยากันเฉพาะที่รอยต่อระหว่างเฟสเท่านั้น หากไม่มีคลื่นอัลตราโซนิก จะส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาต่ำและการเปลี่ยนสารประกอบกำมะถันอินทรีย์เกิดขึ้นช้าในระบบสองเฟสนี้

การทำอิมัลชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

เฟสน้ำมันและเฟสน้ำจะถูกผสมและสูบเข้าสู่เครื่องผสมแบบสถิตเพื่อผลิตอิมัลชันเบื้องต้นที่มีอัตราส่วนโดยปริมาตรคงที่ จากนั้นจึงป้อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์ผสมด้วยคลื่นอัลตราโซนิก ภายในเครื่องปฏิกรณ์ คาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกสร้างแรงเฉือนทางไฮดรอลิกสูง และทำให้เฟสน้ำแตกตัวเป็นหยดขนาดต่ำกว่าไมครอนและขนาดนาโน เนื่องจากพื้นที่ผิวจำเพาะของรอยต่อระหว่างเฟสมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี การลดเส้นผ่านศูนย์กลางของหยดลงอย่างมากนี้จึงปรับปรุงจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา และลดหรือขจัดความจำเป็นในการใช้สารช่วยถ่ายโอนระหว่างเฟส การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้ลดร้อยละโดยปริมาตรของเปอร์ออกไซด์ได้ เนื่องจากอิมัลชันที่ละเอียดกว่าใช้ปริมาตรน้อยกว่าเพื่อให้มีพื้นที่ผิวสัมผัสกับเฟสน้ำมันเท่ากัน

ออกซิเดชันที่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วย

คาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกทำให้เกิดความร้อนเฉพาะจุดอย่างรุนแรง (~5000K) ความดันสูง (~1000atm) อัตราการเพิ่มและลดอุณหภูมิที่สูงมหาศาล (>10⁹ K/sec) และกระแสเจ็ตของเหลว (~1000 km/h) สภาพแวดล้อมที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูงอย่างยิ่งนี้ออกซิไดซ์ไทโอฟีนในเฟสน้ำมันให้เป็นซัลฟอกไซด์และซัลโฟนที่มีขั้วมากขึ้นได้รวดเร็วและสมบูรณ์ยิ่งขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถช่วยสนับสนุนกระบวนการออกซิเดชันเพิ่มเติมได้ แต่ไม่จำเป็นต้องใช้ มีการแสดงให้เห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยาอิมัลชันที่มีทั้งส่วนชอบน้ำและส่วนชอบน้ำมัน หรือตัวเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนระหว่างเฟส (PTC) เช่น เกลือควอเทอร์นารีแอมโมเนียม ซึ่งมีความสามารถเฉพาะตัวในการละลายได้ทั้งในของเหลวที่เป็นน้ำและของเหลวอินทรีย์ สามารถรวมตัวกับสารออกซิไดซ์และพาสารนั้นจากบริเวณรอยต่อระหว่างเฟสไปยังเฟสที่เกิดปฏิกิริยา จึงเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ สามารถเติมรีเอเจนต์เฟนตันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกำจัดกำมะถันด้วยออกซิเดชันในน้ำมันดีเซล และรีเอเจนต์นี้แสดงผลเสริมฤทธิ์ที่ดีกับกระบวนการออกซิเดชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

การเพิ่มการถ่ายเทมวลด้วยคลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูง

เมื่อสารประกอบกำมะถันอินทรีย์ทำปฏิกิริยาที่รอยต่อระหว่างเฟส ซัลฟอกไซด์และซัลโฟนจะสะสมบนผิวของหยดน้ำและขัดขวางไม่ให้สารประกอบกำมะถันอื่น ๆ เกิดอันตรกิริยาที่เฟสน้ำ แรงเฉือนทางไฮดรอลิกที่เกิดจากกระแสเจ็ตจากคาวิเทชันและการไหลเวียนจากคลื่นเสียงทำให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วนและการขนส่งสารจากและไปยังผิวของหยด ส่งผลให้หยดรวมตัวกันซ้ำ ๆ และเกิดหยดใหม่ตามมา เมื่อออกซิเดชันดำเนินต่อไปตามเวลา การใช้คลื่นอัลตราโซนิกทำให้สารที่เข้าทำปฏิกิริยาสัมผัสและเกิดอันตรกิริยากันได้มากที่สุด

การสกัดซัลโฟนด้วยการถ่ายโอนระหว่างเฟส

หลังจากออกซิเดชันและแยกออกจากเฟสน้ำ (H2O2) แล้ว สามารถสกัดซัลโฟนในขั้นตอนที่สองโดยใช้ตัวทำละลายมีขั้ว เช่น อะซีโทไนไตรล์ ซัลโฟนจะถ่ายโอนผ่านรอยต่อระหว่างทั้งสองเฟสไปยังเฟสตัวทำละลาย เนื่องจากซัลโฟนมีความเป็นขั้วสูงกว่า เช่นเดียวกับขั้นตอนแรก เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยเพิ่มการสกัดแบบของเหลว–ของเหลว โดยสร้างอิมัลชันที่มีหยดละเอียดและเกิดการไหลแบบปั่นป่วนของเฟสตัวทำละลายในเฟสน้ำมัน ซึ่งเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟสและส่งผลให้เกิดการสกัดและลดการใช้ตัวทำละลาย

จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการสู่ระดับนำร่องและการผลิต

Hielscher Ultrasonics มีอุปกรณ์สำหรับทดสอบ ตรวจสอบยืนยัน และใช้เทคโนโลยีนี้ในทุกขนาด โดยพื้นฐานแล้วกระบวนการนี้ทำได้ในเพียง 4 ขั้นตอน

1. ผสมน้ำมันกับ H2O2 และใช้คลื่นอัลตราโซนิกเพื่อออกซิไดซ์สารประกอบกำมะถัน
2. ปั่นเหวี่ยงเพื่อแยกเฟสน้ำ
3. ผสมเฟสน้ำมันกับตัวทำละลายและใช้คลื่นอัลตราโซนิกเพื่อสกัดซัลโฟน
4. ปั่นเหวี่ยงเพื่อแยกเฟสตัวทำละลายที่มีซัลโฟน

ในระดับห้องปฏิบัติการ คุณสามารถใช้ UP200Ht เพื่อสาธิตแนวคิดและปรับพารามิเตอร์พื้นฐาน เช่น ความเข้มข้นของเปอร์ออกไซด์ อุณหภูมิกระบวนการ ระยะเวลาและความเข้มของการใช้คลื่นอัลตราโซนิก ตลอดจนการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือตัวทำละลาย
ในระดับตั้งโต๊ะ เครื่องอัลตราโซนิกกำลังสูง เช่น UIP1000hdT หรือ UIP2000hdT ช่วยให้จำลองทั้งสองขั้นตอนแยกจากกันได้ที่อัตราการไหลตั้งแต่ 100 ถึง 1000L/hr (25 ถึง 250 gal/hr) และปรับพารามิเตอร์ของกระบวนการและการใช้คลื่นอัลตราโซนิกให้เหมาะสมที่สุด อุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ออกแบบมาสำหรับการขยายขนาดแบบเชิงเส้นไปสู่ปริมาตรการแปรรูปที่มากขึ้นในระดับนำร่องหรือระดับการผลิต ระบบของ Hielscher ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ในกระบวนการที่มีปริมาณมาก รวมถึงการกลั่นเชื้อเพลิง Hielscher ผลิตระบบที่ติดตั้งในตู้คอนเทนเนอร์ โดยรวมอุปกรณ์กำลังสูง 10kW หรือ 16kW ของเราหลายเครื่องเป็นกลุ่ม เพื่อให้รวมเข้ากับระบบได้ง่าย นอกจากนี้ยังมีแบบที่ตรงตามข้อกำหนดสำหรับสภาพแวดล้อมอันตราย ตารางด้านล่างแสดงปริมาตรการแปรรูปและขนาดอุปกรณ์ที่แนะนำ

ระบบติดตั้งเครื่องอัลตราโซนิกกำลังสูงรวม 192 kW สำหรับกำจัดกำมะถันในน้ำมันดิบ