Giải pháp siêu âm thay thế cho quá trình khử lưu huỳnh bằng hydro

Các nhà máy lọc dầu đang đối mặt với nguồn cung dầu thô chứa lưu huỳnh, còn gọi là dầu thô chua, ngày càng tăng, đồng thời các quy định về môi trường gây áp lực buộc phải giảm hàm lượng lưu huỳnh trong xăng. Cùng lúc đó, chi phí khử lưu huỳnh bằng hydro (HDS) truyền thống đang tăng do nhu cầu sử dụng hydro. Xử lý bằng xâm thực siêu âm là một phương pháp thay thế hiệu quả để loại bỏ lưu huỳnh khỏi dầu thô.

Đáp ứng các tiêu chuẩn về lưu huỳnh trong dầu bằng xử lý siêu âm

Nhiên liệu hóa thạch chứa các hợp chất lưu huỳnh. Các hợp chất này hình thành do sự phân hủy vật chất sinh học chứa lưu huỳnh trong quá trình hình thành tự nhiên của nhiên liệu hóa thạch.

Các phương tiện như ô tô, máy bay và tàu thuyền hoặc các nhà máy điện phát thải lưu huỳnh đioxit (SO2) do đốt nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ. Chính lưu huỳnh này – ngay cả ở nồng độ rất thấp – cũng gây hư hại cho các chất xúc tác kim loại quý trong công đoạn reforming xúc tác phía sau tại các nhà máy lọc dầu. Các quy định môi trường mới nhất yêu cầu khử lưu huỳnh rất sâu để đáp ứng các thông số kỹ thuật của dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh siêu thấp (ULSD).
 

Hệ thống lắp đặt gồm các thiết bị siêu âm công suất cao với tổng công suất 192 kW để khử lưu huỳnh trong dầu thô

Thông tin nền tảng – Khử lưu huỳnh bằng hydro (HDS)

Khử lưu huỳnh bằng hydro (HDS) là quá trình xúc tác tiêu chuẩn để loại bỏ lưu huỳnh khỏi các sản phẩm dầu mỏ. Trong quá trình này, các phân đoạn chứa lưu huỳnh của dầu thô được trộn với hydro và chất xúc tác để phản ứng tạo thành hydro sulfua. Thông thường, chất xúc tác gồm chất mang nhôm oxit được tẩm coban và molypden. Khi nguồn cung dầu ngày càng chứa nhiều lưu huỳnh hơn, quá trình khử lưu huỳnh đòi hỏi áp suất cao hơn và các chất xúc tác thay thế. Các hợp chất lưu huỳnh thơm khó phản ứng (ví dụ: 4,6-dimethyldibenzothiophene) không thể được loại bỏ bằng quá trình khử lưu huỳnh bằng hydro do khả năng phản ứng thấp của chúng.

Khử lưu huỳnh có hỗ trợ siêu âm

Một giải pháp thay thế cho quá trình khử lưu huỳnh bằng hydro là khử lưu huỳnh có hỗ trợ siêu âm. Cho chất lỏng tiếp xúc với sóng siêu âm cường độ cao gây ra hiện tượng xâm thực âm. Đây là sự hình thành rồi sụp đổ dữ dội của các bọt chân không nhỏ (bọt xâm thực). Sự sụp đổ dữ dội của mỗi bọt tạo ra các điều kiện cực hạn tại chỗ:

• Nhiệt độ: lên đến 5000 kelvin
• Áp suất: lên đến 2000 átmốtphe
• Tia chất lỏng: lên đến 1000km/hr.

Những điều kiện này thúc đẩy các quá trình hóa học trên bề mặt chất xúc tác diễn ra tốt hơn nhờ tăng cường trộn ở cấp vi mô. Đặc biệt, nhiệt độ cao cục bộ làm thay đổi động học phản ứng hóa học của quá trình khử lưu huỳnh. Hiệu ứng này cho phép sử dụng các chất xúc tác thay thế – ít tốn kém hơn – hoặc các phương pháp hóa học khử lưu huỳnh thay thế. Deshpande và cộng sự (2004) nghiên cứu một hệ oxy hóa gồm natri cacbonat và hydro peroxit trong hệ hai pha diesel và acetonitrile. Xử lý siêu âm được áp dụng cho hệ hai pha này. Nghiên cứu đã giảm được hơn 90% hàm lượng DMDBT trong các mẫu diesel.

Thiết bị siêu âm hiệu năng cao để khử lưu huỳnh trong dầu thô

Hielscher là nhà cung cấp hàng đầu thế giới về thiết bị siêu âm có năng lực xử lý lớn. Vì Hielscher thiết kế và sản xuất các thiết bị xử lý siêu âm hiệu năng cao có công suất lên đến 16kW cho mỗi thiết bị riêng lẻ, quy mô nhà máy hoặc năng lực xử lý không bị giới hạn. Các cụm gồm nhiều hệ thống 16kW đang được sử dụng để xử lý các dòng có lưu lượng thể tích lớn hơn. Xử lý nhiên liệu công nghiệp không cần nhiều năng lượng siêu âm. Nhu cầu năng lượng thực tế có thể được xác định bằng thiết bị siêu âm để bàn như UIP1000hdT. Tất cả kết quả từ các thử nghiệm để bàn như vậy đều có thể được mở rộng quy mô hoàn toàn tuyến tính, tạo thuận lợi cho việc triển khai quá trình khử lưu huỳnh bằng siêu âm ở quy mô sản xuất công nghiệp.

Nếu cần, có sẵn các thiết bị siêu âm được chứng nhận ATEX (ví dụ: UIP1000-Exd) để xử lý siêu âm trong môi trường nguy hiểm.

Chi phí xử lý siêu âm

Xử lý siêu âm là một công nghệ xử lý hiệu quả. Chi phí xử lý siêu âm chủ yếu đến từ khoản đầu tư
cho thiết bị siêu âm, chi phí tiện ích và bảo trì. Hiệu suất năng lượng vượt trội (xem biểu đồ) của các thiết bị siêu âm Hielscher giúp giảm chi phí tiện ích.

Tài liệu

Deshpande, A., Bassi, A., Prakash, A. (2004): Oxy hóa 4,6-dimethyldibenzothiophene có hỗ trợ siêu âm và xúc tác bazơ trong hệ hai pha diesel–acetonitrile; trong: Energy Fuels, 19 (1), 28 -34, 2005.

Mei H., Mei B.W., Yen T.F. (2003): Một phương pháp mới để thu được nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh siêu thấp thông qua khử lưu huỳnh bằng oxy hóa có hỗ trợ siêu âm; trong: Fuel, Tập 82, Số 4, March 2003, tr. 405-414(10), 2003.