Hydrodynamická kavitace je nová, energeticky účinná technologie intenzifikace procesů s potenciálem zvýšit účinnost, výnosnost a udržitelnost v klíčových rafinérských provozech. Vytvářením řízeného mikroměřítkového smyku, turbulence a lokalizovaných tepelně-mechanických efektů - v rámci jednotek CaviFlow® společnosti RAPTECH - může hydrodynamická kavitace zlepšit míchání, přenos hmoty a tepla, reakční kinetiku a úpravu vstupních surovin. Tento přehled hodnotí možnosti integrace hydrodynamické kavitace při odsolování ropy, zpožděném koksování, fluidním katalytickém krakování, hydrogenaci, alkylaci a zušlechťování zbytků s důrazem na mechanistické znalosti, konfiguraci zařízení a provozní omezení.
Nejnovější praktické výsledky - včetně míchání a zušlechťování zbytků - ukazují měřitelné přínosy při míchání těžkého topného oleje s alternativními palivy. Kavitačně asistované mísení HFO s 20 % FAME prokázalo zlepšení viskozity, hustoty, obsahu sedimentů a indexů stability, jakož i snížení obsahu kočičích jemných částic a mírné zlepšení spotřeby paliva. Tato zjištění zdůrazňují význam hydrodynamické kavitace nejen pro rafinérské procesy, ale také pro sektor námořních paliv, zejména v souvislosti s normou ISO 8217:2024, která povoluje námořní paliva obsahující až 100 % FAME. Výsledky odrážejí širší průmyslový trend směrem k nízkouhlíkovým, obnovitelným a variabilnějším vstupním surovinám.
Celkově hydrodynamická kavitace a jednotky CaviFlow® společnosti RAPTECH představují slibnou cestu ke zlepšení zpracovatelnosti, snížení energetických nároků a podpoře přechodu k udržitelnějším rafinérským a lodním palivovým systémům. Ačkoli většina údajů pochází z laboratorních a pilotních studií, vznikající demonstrace - včetně míchání a zušlechťování zbytků - podtrhují potenciál hydrodynamické kavitace pro praktické průmyslové nasazení.
1. Úvod
Rafinérské konverzní procesy mají zásadní význam pro přeměnu surové ropy na dopravní paliva, petrochemické suroviny a vysoce hodnotné produkty. Účinnost a kvalita produktů jsou často omezeny heterogenitou vstupních surovin, deaktivací katalyzátoru, zanášením a omezeními přenosu hmoty. Rostoucí využívání těžkých a velmi těžkých rop, které tvoří významnou část vytěžitelných světových zásob, představuje další výzvy kvůli vysoké viskozitě, nízkému obsahu API (<20°) a zvýšenému obsahu asfaltenu [1]. Tyto vlastnosti brání přenosu tepla a hmoty, urychlují zanášení a zvyšují tvorbu koksu v termických a katalytických procesech.
Hydrodynamická kavitace se stala aprominentní strategií intenzifikace procesů. Vytváří řízené mikrobubliny, lokalizované horké body, extrémní smyk a tlakové gradienty, které mohou zlepšit chemické reakce, disperzi fází a přenos hmoty. Ve srovnání s konvenčním mechanickým mícháním nebo chemickými přísadami představuje hydrodynamická kavitace potenciálně energeticky účinný a nízkochemický přístup k řešení úzkých míst v rafinériích [2]. Hydrodynamickou kavitaci lze kombinovat s katalyzátory, povrchově aktivními látkami, mírnými oxidanty (např, H₂O₂, ozon) nebo UV zářením k dalšímu zlepšení účinnosti reakce a čistších výsledků zpracování [2].
Mechanicky může kavitace vyvolat modifikace uhlovodíků na molekulární úrovni, včetně disagregace asfaltenu, částečného štěpení a změn reologických vlastností, což zlepšuje manipulaci se surovinami a účinnost reakce [3]. Škálování hydrodynamické kavitace do průmyslových provozů je náročné vzhledem k absenci standardizované metody pro kvantifikaci intenzity kavitace v různých kapalinách a vyžaduje vysoké investiční a provozní náklady [1,4]. Důkazy z laboratorních a pilotních studií naznačují, že hydrodynamická kavitace může zlepšit zpracovatelnost a účinnost, ačkoli průmyslové ověření v plném měřítku je stále omezené.
Procesy s hydrodynamickou kavitací mohou nabídnout provozní a environmentální výhody, včetně snížení spotřeby energie, zvýšení výkonnosti a snížení emisí skleníkových plynů. Mohou doplňovat konvenční metody zušlechťování, které jsou často energeticky náročné a rd konstrukce reaktorů. Kavitační číslo bylo navrženo jako systematický parametr pro optimalizaci návrhu reaktoru a propojení experimentálních dat s praktickými aplikacemi.
2. Možnosti hydrodynamické kavitace s vysokým účinkem
2.1 Odsolování ropy (CDU)
Začlenění hydrodynamické kavitace na vstupu do odsolovače může zlepšit disperzi ropy a vody a odstranění solí. Mikroturbulence, střih a lokalizované kolísání tlaku podporují rozpad stabilních emulzí a vytvářejí jemné, rovnoměrné kapičky, které zlepšují kontakt vody s olejem a urychlují koalescenci. Výsledkem může být nižší obsah zbytkových solí, snížení zanášení a koroze a lepší výkon při výměně tepla [2]. Hydrodynamické kavitační jednotky lze realizovat jako kompaktní inline skidy s minimálními úpravami stávající odsolovací infrastruktury.
2.2 Zpožděné koksování (DCU)
Použití hydrodynamické kavitace na vakuový zbytek před koksovacími ohřívači může zlepšit homogenizaci krmiva a vyvolat mírné účinky předúpravy. Smyk, mikromíchání a lokalizovaná tepelně-mechanická aktivace podporují částečnou dezagregaci asfaltenu a snížení viskozity, což umožňuje rovnoměrnější tepelné krakování [5,3]. Studie v pilotním měřítku zaznamenaly zlepšení stability ohřívače, snížení usazování koksu a mírné zvýšení výtěžků kapalných produktů, pokud je hydrodynamická kavitace začleněna před koksovací zařízení. Udržení vhodné intenzity kavitace je nezbytné, aby se zabránilo nadměrnému předkrakování, zejména u vysoce aromatických nebo nestabilních surovin [1,3]. Správný návrh systému hydrodynamické kavitace a optimalizace provozních podmínek jsou proto pro bezpečné a efektivní zavedení zásadní.
2.3 Jednotka fluidního katalytického krakování (FCCU)
Předúprava těžkých vstupů (např, vakuový plynový olej nebo zbytky) prostřednictvím hydrodynamické kavitace může zvýšit homogenizaci vstupní suroviny a částečně narušit agregáty bohaté na asfalten a kovy, což může snížit efektivní zatížení kontaminanty, které přispívají k tvorbě CCR [6]. Intenzivní smyk a mikromíchání vytvářené kavitací mohou také zlepšit disperzi, přenos hmoty a celkovou reologii krmiva, což může podpořit vyšší účinnost konverze a snížit tendenci k zanášení. Tyto účinky byly prokázány v pilotním měřítku, ale dosud nejsou k dispozici žádné veřejně dostupné údaje potvrzující zavedení FCC v plném měřítku. Začlenění hydrodynamické kavitace před jednotku FCC vyžaduje pečlivou konstrukci rozhraní pro vstřikování krmiva, včetně tlaku, teploty, metalurgie a kompatibility se stávajícími systémy předehřevu a distribuce krmiva.
2.4 Hydrogenační zařízení (DHT, CNHT, NHT)
Předmíchávání vodíku a oleje za asistence hydrodynamické kavitace může zlepšit disperzi H₂ a mezifázový kontakt, což potenciálně zvyšuje odsíření, odstranění dusíku a nasycení olefinů [2,8]. Mikroturbulence a smyk zvyšují dostupnou mezifázovou plochu, čímž zmírňují omezení přenosu hmoty, která snižují účinnost katalyzátoru. Doporučuje se pilotní ověřování za účelem optimalizace intenzity kavitace, doby setrvání a integrace modulu. Správně navržené hydrodynamické kavitační moduly - tlakově dimenzované ližiny s materiály kompatibilními s procesními podmínkami - mohou podpořit vyšší konverzi na průchod a lepší životnost katalyzátoru.
2. Vhodná konstrukce hydrodynamických kavitačníchmodulů.5 Úprava tryskových paliv kaustikem (JCTU )
Při úpravě tryskových paliv kaustikem hydrodynamická kavitace zintenzivňuje kontakt mezi roztokem kaustiku a uhlovodíky, čímž zlepšuje extrakci merkaptanu a stabilitu produktu. Mikromíchání a vysoká mezifázová obnova mohou snížit spotřebu kaustiku při zachování nebo zvýšení účinnosti slazení. Systémy inline hydrodynamické kavitace umožňují přímou modernizaci s minimálním narušením procesu.
2.6 Alkylační jednotky (H₂SO₄ ALKY)
Hydrodynamická kavitace může zlepšit kontakt kyseliny s uhlovodíkem v alkylačních jednotkách, podpořit rovnoměrnější reakční podmínky a potenciálně zlepšit oktanové číslo a výtěžnost produktu [6]. Vysoký smyk, mikroturbulence a kolísání tlaku urychlují reakce katalyzované kyselinami. Realizace vyžaduje přísný výběr materiálů, korozivzdornou konstrukci a přísné bezpečnostní protokoly. Před zavedením v plném měřítku se doporučuje ověření v pilotním měřítku.
2.7 Zušlechťování a míchání zbytků
Hydrodynamická kavitace může podpořit míchání i částečné zušlechťování těžkých zbytků a vakuových zbytků tím, že zvyšuje disperzi, snižuje viskozitu a zlepšuje celkovou stabilitu paliva.
Aplikace pro modernizaci
Při modernizaci kavitace podporuje disagregaci asfaltenu, mírné krakování, snížení viskozity, posun k lehčím frakcím a minimalizaci kalů [2-4]. Ukázalo se, že úprava zbytků za pomoci hydrodynamické kavitace je pro pilotní provozy nákladově efektivnější než akustická kavitace a může zlepšit vlastnosti bitumenu, odsíření a stabilitu emulze v aplikacích, jako jsou FCC suroviny, hydrogenace a lodní paliva [4,7,8]. Ačkoli většina uváděných přínosů pochází z laboratorních a pilotních měřítek, pro bezpečné a účinné provedení je rozhodující správná kontrola intenzity kavitace a doby setrvání.
Aplikace při míchání
Při míchání hydrodynamická kavitace podporuje tvorbu jemných, stabilních disperzí mezi těžkými oleji a složkami s nižší viskozitou, jako je bionafta nebo pyrolýzní oleje. Vysoký smyk a mikroturbulence vznikající při kavitaci zlepšují mísitelnost, snižují náchylnost k oddělování fází a zvyšují homogenitu při skladování a manipulaci.
Nezávislé testy v laboratořích Bureau Veritas a data-physics tato zlepšení potvrdily. Tabulka 1 shrnuje srovnání HFO 380 smíchaného s 20 % bionafty (FAME) pomocí konvenčního ručního míchání (HD) a míchání s kavitační asistencí (CF) se systémem CaviFlow® společnosti RAPTECH. Metoda s asistencí kavitace přinesla měřitelné zlepšení hustoty, viskozity, obsahu síry, obsahu popela, úrovně sedimentů a středního indexu stability (MSI) a zároveň snížila koncentraci kočičích jemných částic. Testování motorů provedené společností FVTR GmbH navíc zaznamenalo mírné (~1 %) snížení spotřeby paliva u kavitačně ošetřené směsi HFO-20 % FAME.
V závislosti na velikosti plavidla, provozním profilu a ceně paliva se takové zlepšení vlastností může promítnout do významných provozních přínosů v námořním sektoru, kde těžký topný olej zůstává dominantním zdrojem energie.
Tabulka 1. Srovnání HFO 380 smíchaného s 20 % bionafty (FAME) pomocí konvenčního ručního míchání (HD) a míchání s kavitační asistencí (CF).
(1) Těžké oleje s °API < 22.3 jsou obvykle klasifikovány jako "těžký topný olej".
(2) Přestože se bod vzplanutí snížil, obě směsi zůstávají vysoko nad minimálními limity ISO 8217 pro zbytková lodní paliva, což zajišťuje soulad s bezpečnostními předpisy.
3. V případě, že se teplota vzplanutí sníží, je nutné dodržet minimální limity ISO 8217 pro zbytková lodní paliva.Závěr
Hydrodynamická kavitace představuje všestranný nástroj pro intenzifikaci procesu, který je schopen řešit několik přetrvávajících problémů při rafinaci ropy, včetně heterogenity vstupních surovin, omezení přenosu hmoty, zanášení a zpracování vysoce viskózních zbytků. Hydrodynamická kavitace nabízí možnosti zlepšení dispergace, rovnoměrnosti reakcí a provozní stability při současném potenciálním snížení spotřeby energie a dopadu na životní prostředí, a to v rámci odsolování ropy, tepelných a katalytických konverzních jednotek, kaustické úpravy a alkylace.
Slibné výsledky prokázané při zušlechťování zbytků a kavitačně asistovaném míchání - zejména lepší manipulace a stabilita směsí HFO-FAME - podtrhují význam hydrodynamické kavitace při přechodu rafinérského i námořního/zásobníkového palivového sektoru na rozmanitější a obnovitelné palivové toky. Zavedení normy ISO 8217:2024 [9], která umožňuje používat lodní paliva obsahující až 100 % FAME, dále zvyšuje potřebu technologií, které mohou stabilizovat směsi těžkých ropných frakcí s alternativními palivy. Schopnost hydrodynamické kavitace snižovat viskozitu, zlepšovat fázovou stabilitu a zmírňovat problémy se sedimenty a kontaminanty ji staví do pozice praktického pomocníka v této vyvíjející se oblasti.
Úspěšné průmyslové přijetí bude záviset na:
Ačkoli současné poznatky jsou převážně v pilotním měřítku, hydrodynamická kavitace s asistencí při zpracování těžkého oleje a míchání paliv ukazuje povzbudivé cesty ke zvýšení účinnosti rafinerií, umožnění integrace alternativních paliv a podpoře širších cílů dekarbonizace a udržitelnosti [4]. Tyto přínosy jsou přímo použitelné v odvětví námořních paliv/bunkrů a poskytují zlepšení v oblasti provozu, životního prostředí a kvality paliva.
Autor: Mgr: Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Odkazy
Nejnovější praktické výsledky - včetně míchání a zušlechťování zbytků - ukazují měřitelné přínosy při míchání těžkého topného oleje s alternativními palivy. Kavitačně asistované mísení HFO s 20 % FAME prokázalo zlepšení viskozity, hustoty, obsahu sedimentů a indexů stability, jakož i snížení obsahu kočičích jemných částic a mírné zlepšení spotřeby paliva. Tato zjištění zdůrazňují význam hydrodynamické kavitace nejen pro rafinérské procesy, ale také pro sektor námořních paliv, zejména v souvislosti s normou ISO 8217:2024, která povoluje námořní paliva obsahující až 100 % FAME. Výsledky odrážejí širší průmyslový trend směrem k nízkouhlíkovým, obnovitelným a variabilnějším vstupním surovinám.
Celkově hydrodynamická kavitace a jednotky CaviFlow® společnosti RAPTECH představují slibnou cestu ke zlepšení zpracovatelnosti, snížení energetických nároků a podpoře přechodu k udržitelnějším rafinérským a lodním palivovým systémům. Ačkoli většina údajů pochází z laboratorních a pilotních studií, vznikající demonstrace - včetně míchání a zušlechťování zbytků - podtrhují potenciál hydrodynamické kavitace pro praktické průmyslové nasazení.
1. Úvod
Rafinérské konverzní procesy mají zásadní význam pro přeměnu surové ropy na dopravní paliva, petrochemické suroviny a vysoce hodnotné produkty. Účinnost a kvalita produktů jsou často omezeny heterogenitou vstupních surovin, deaktivací katalyzátoru, zanášením a omezeními přenosu hmoty. Rostoucí využívání těžkých a velmi těžkých rop, které tvoří významnou část vytěžitelných světových zásob, představuje další výzvy kvůli vysoké viskozitě, nízkému obsahu API (<20°) a zvýšenému obsahu asfaltenu [1]. Tyto vlastnosti brání přenosu tepla a hmoty, urychlují zanášení a zvyšují tvorbu koksu v termických a katalytických procesech.
Hydrodynamická kavitace se stala aprominentní strategií intenzifikace procesů. Vytváří řízené mikrobubliny, lokalizované horké body, extrémní smyk a tlakové gradienty, které mohou zlepšit chemické reakce, disperzi fází a přenos hmoty. Ve srovnání s konvenčním mechanickým mícháním nebo chemickými přísadami představuje hydrodynamická kavitace potenciálně energeticky účinný a nízkochemický přístup k řešení úzkých míst v rafinériích [2]. Hydrodynamickou kavitaci lze kombinovat s katalyzátory, povrchově aktivními látkami, mírnými oxidanty (např, H₂O₂, ozon) nebo UV zářením k dalšímu zlepšení účinnosti reakce a čistších výsledků zpracování [2].
Mechanicky může kavitace vyvolat modifikace uhlovodíků na molekulární úrovni, včetně disagregace asfaltenu, částečného štěpení a změn reologických vlastností, což zlepšuje manipulaci se surovinami a účinnost reakce [3]. Škálování hydrodynamické kavitace do průmyslových provozů je náročné vzhledem k absenci standardizované metody pro kvantifikaci intenzity kavitace v různých kapalinách a vyžaduje vysoké investiční a provozní náklady [1,4]. Důkazy z laboratorních a pilotních studií naznačují, že hydrodynamická kavitace může zlepšit zpracovatelnost a účinnost, ačkoli průmyslové ověření v plném měřítku je stále omezené.
Procesy s hydrodynamickou kavitací mohou nabídnout provozní a environmentální výhody, včetně snížení spotřeby energie, zvýšení výkonnosti a snížení emisí skleníkových plynů. Mohou doplňovat konvenční metody zušlechťování, které jsou často energeticky náročné a rd konstrukce reaktorů. Kavitační číslo bylo navrženo jako systematický parametr pro optimalizaci návrhu reaktoru a propojení experimentálních dat s praktickými aplikacemi.
2. Možnosti hydrodynamické kavitace s vysokým účinkem
2.1 Odsolování ropy (CDU)
Začlenění hydrodynamické kavitace na vstupu do odsolovače může zlepšit disperzi ropy a vody a odstranění solí. Mikroturbulence, střih a lokalizované kolísání tlaku podporují rozpad stabilních emulzí a vytvářejí jemné, rovnoměrné kapičky, které zlepšují kontakt vody s olejem a urychlují koalescenci. Výsledkem může být nižší obsah zbytkových solí, snížení zanášení a koroze a lepší výkon při výměně tepla [2]. Hydrodynamické kavitační jednotky lze realizovat jako kompaktní inline skidy s minimálními úpravami stávající odsolovací infrastruktury.
2.2 Zpožděné koksování (DCU)
Použití hydrodynamické kavitace na vakuový zbytek před koksovacími ohřívači může zlepšit homogenizaci krmiva a vyvolat mírné účinky předúpravy. Smyk, mikromíchání a lokalizovaná tepelně-mechanická aktivace podporují částečnou dezagregaci asfaltenu a snížení viskozity, což umožňuje rovnoměrnější tepelné krakování [5,3]. Studie v pilotním měřítku zaznamenaly zlepšení stability ohřívače, snížení usazování koksu a mírné zvýšení výtěžků kapalných produktů, pokud je hydrodynamická kavitace začleněna před koksovací zařízení. Udržení vhodné intenzity kavitace je nezbytné, aby se zabránilo nadměrnému předkrakování, zejména u vysoce aromatických nebo nestabilních surovin [1,3]. Správný návrh systému hydrodynamické kavitace a optimalizace provozních podmínek jsou proto pro bezpečné a efektivní zavedení zásadní.
2.3 Jednotka fluidního katalytického krakování (FCCU)
Předúprava těžkých vstupů (např, vakuový plynový olej nebo zbytky) prostřednictvím hydrodynamické kavitace může zvýšit homogenizaci vstupní suroviny a částečně narušit agregáty bohaté na asfalten a kovy, což může snížit efektivní zatížení kontaminanty, které přispívají k tvorbě CCR [6]. Intenzivní smyk a mikromíchání vytvářené kavitací mohou také zlepšit disperzi, přenos hmoty a celkovou reologii krmiva, což může podpořit vyšší účinnost konverze a snížit tendenci k zanášení. Tyto účinky byly prokázány v pilotním měřítku, ale dosud nejsou k dispozici žádné veřejně dostupné údaje potvrzující zavedení FCC v plném měřítku. Začlenění hydrodynamické kavitace před jednotku FCC vyžaduje pečlivou konstrukci rozhraní pro vstřikování krmiva, včetně tlaku, teploty, metalurgie a kompatibility se stávajícími systémy předehřevu a distribuce krmiva.
2.4 Hydrogenační zařízení (DHT, CNHT, NHT)
Předmíchávání vodíku a oleje za asistence hydrodynamické kavitace může zlepšit disperzi H₂ a mezifázový kontakt, což potenciálně zvyšuje odsíření, odstranění dusíku a nasycení olefinů [2,8]. Mikroturbulence a smyk zvyšují dostupnou mezifázovou plochu, čímž zmírňují omezení přenosu hmoty, která snižují účinnost katalyzátoru. Doporučuje se pilotní ověřování za účelem optimalizace intenzity kavitace, doby setrvání a integrace modulu. Správně navržené hydrodynamické kavitační moduly - tlakově dimenzované ližiny s materiály kompatibilními s procesními podmínkami - mohou podpořit vyšší konverzi na průchod a lepší životnost katalyzátoru.
2. Vhodná konstrukce hydrodynamických kavitačníchmodulů.5 Úprava tryskových paliv kaustikem (JCTU )
Při úpravě tryskových paliv kaustikem hydrodynamická kavitace zintenzivňuje kontakt mezi roztokem kaustiku a uhlovodíky, čímž zlepšuje extrakci merkaptanu a stabilitu produktu. Mikromíchání a vysoká mezifázová obnova mohou snížit spotřebu kaustiku při zachování nebo zvýšení účinnosti slazení. Systémy inline hydrodynamické kavitace umožňují přímou modernizaci s minimálním narušením procesu.
2.6 Alkylační jednotky (H₂SO₄ ALKY)
Hydrodynamická kavitace může zlepšit kontakt kyseliny s uhlovodíkem v alkylačních jednotkách, podpořit rovnoměrnější reakční podmínky a potenciálně zlepšit oktanové číslo a výtěžnost produktu [6]. Vysoký smyk, mikroturbulence a kolísání tlaku urychlují reakce katalyzované kyselinami. Realizace vyžaduje přísný výběr materiálů, korozivzdornou konstrukci a přísné bezpečnostní protokoly. Před zavedením v plném měřítku se doporučuje ověření v pilotním měřítku.
2.7 Zušlechťování a míchání zbytků
Hydrodynamická kavitace může podpořit míchání i částečné zušlechťování těžkých zbytků a vakuových zbytků tím, že zvyšuje disperzi, snižuje viskozitu a zlepšuje celkovou stabilitu paliva.
Aplikace pro modernizaci
Při modernizaci kavitace podporuje disagregaci asfaltenu, mírné krakování, snížení viskozity, posun k lehčím frakcím a minimalizaci kalů [2-4]. Ukázalo se, že úprava zbytků za pomoci hydrodynamické kavitace je pro pilotní provozy nákladově efektivnější než akustická kavitace a může zlepšit vlastnosti bitumenu, odsíření a stabilitu emulze v aplikacích, jako jsou FCC suroviny, hydrogenace a lodní paliva [4,7,8]. Ačkoli většina uváděných přínosů pochází z laboratorních a pilotních měřítek, pro bezpečné a účinné provedení je rozhodující správná kontrola intenzity kavitace a doby setrvání.
Aplikace při míchání
Při míchání hydrodynamická kavitace podporuje tvorbu jemných, stabilních disperzí mezi těžkými oleji a složkami s nižší viskozitou, jako je bionafta nebo pyrolýzní oleje. Vysoký smyk a mikroturbulence vznikající při kavitaci zlepšují mísitelnost, snižují náchylnost k oddělování fází a zvyšují homogenitu při skladování a manipulaci.
Nezávislé testy v laboratořích Bureau Veritas a data-physics tato zlepšení potvrdily. Tabulka 1 shrnuje srovnání HFO 380 smíchaného s 20 % bionafty (FAME) pomocí konvenčního ručního míchání (HD) a míchání s kavitační asistencí (CF) se systémem CaviFlow® společnosti RAPTECH. Metoda s asistencí kavitace přinesla měřitelné zlepšení hustoty, viskozity, obsahu síry, obsahu popela, úrovně sedimentů a středního indexu stability (MSI) a zároveň snížila koncentraci kočičích jemných částic. Testování motorů provedené společností FVTR GmbH navíc zaznamenalo mírné (~1 %) snížení spotřeby paliva u kavitačně ošetřené směsi HFO-20 % FAME.
V závislosti na velikosti plavidla, provozním profilu a ceně paliva se takové zlepšení vlastností může promítnout do významných provozních přínosů v námořním sektoru, kde těžký topný olej zůstává dominantním zdrojem energie.
Tabulka 1. Srovnání HFO 380 smíchaného s 20 % bionafty (FAME) pomocí konvenčního ručního míchání (HD) a míchání s kavitační asistencí (CF).
| Parametr | Jednotka | Prolínání (HD) | Směšování (CF) | Zlepšení (%) |
|---|---|---|---|---|
| Hustota při 50 °C | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Kinematická viskozita při 50 °C | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Obsah síry | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Obsah popela | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Bod nalití | ° C | -15 | -15 | 0 |
| Bod vzplanutí (2) | ° C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Celkový potenciál sedimentu | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Celkový sediment Existující | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Index střední stability (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Finy pro kočky (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Těžké oleje s °API < 22.3 jsou obvykle klasifikovány jako "těžký topný olej".
(2) Přestože se bod vzplanutí snížil, obě směsi zůstávají vysoko nad minimálními limity ISO 8217 pro zbytková lodní paliva, což zajišťuje soulad s bezpečnostními předpisy.
3. V případě, že se teplota vzplanutí sníží, je nutné dodržet minimální limity ISO 8217 pro zbytková lodní paliva.Závěr
Hydrodynamická kavitace představuje všestranný nástroj pro intenzifikaci procesu, který je schopen řešit několik přetrvávajících problémů při rafinaci ropy, včetně heterogenity vstupních surovin, omezení přenosu hmoty, zanášení a zpracování vysoce viskózních zbytků. Hydrodynamická kavitace nabízí možnosti zlepšení dispergace, rovnoměrnosti reakcí a provozní stability při současném potenciálním snížení spotřeby energie a dopadu na životní prostředí, a to v rámci odsolování ropy, tepelných a katalytických konverzních jednotek, kaustické úpravy a alkylace.
Slibné výsledky prokázané při zušlechťování zbytků a kavitačně asistovaném míchání - zejména lepší manipulace a stabilita směsí HFO-FAME - podtrhují význam hydrodynamické kavitace při přechodu rafinérského i námořního/zásobníkového palivového sektoru na rozmanitější a obnovitelné palivové toky. Zavedení normy ISO 8217:2024 [9], která umožňuje používat lodní paliva obsahující až 100 % FAME, dále zvyšuje potřebu technologií, které mohou stabilizovat směsi těžkých ropných frakcí s alternativními palivy. Schopnost hydrodynamické kavitace snižovat viskozitu, zlepšovat fázovou stabilitu a zmírňovat problémy se sedimenty a kontaminanty ji staví do pozice praktického pomocníka v této vyvíjející se oblasti.
Úspěšné průmyslové přijetí bude záviset na:
- Přesné řízení intenzity kavitace pro vyvážení zvýšení účinnosti s integritou zařízení.
- Zajištění kompatibility s vysokoteplotními, korozivními nebo vysoce viskózními procesními proudy.
- Integrace modulů HC do stávajících konfigurací rafinerií bez narušení řízení kritických procesů.
Ačkoli současné poznatky jsou převážně v pilotním měřítku, hydrodynamická kavitace s asistencí při zpracování těžkého oleje a míchání paliv ukazuje povzbudivé cesty ke zvýšení účinnosti rafinerií, umožnění integrace alternativních paliv a podpoře širších cílů dekarbonizace a udržitelnosti [4]. Tyto přínosy jsou přímo použitelné v odvětví námořních paliv/bunkrů a poskytují zlepšení v oblasti provozu, životního prostředí a kvality paliva.
Autor: Mgr: Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Odkazy
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Zušlechťování těžké ropy: Odblokování budoucích dodávek paliv. Petroleum Science and Technology, 2016, 34(4), 303-308. DOI: 10.1080/10916466.2015.1136949.
- Panda, D.; Saharan, V. K.; Manickam, S. Controlled Hydrodynamic Cavitation (Řízená hydrodynamická kavitace): A Review of Recent Advances and Perspectives for Greener Processing (Přehled nejnovějších pokroků a perspektiv pro ekologičtější zpracování). Processes, 2020, 8, 220. DOI: 10.3390/pr8020220.
- Kuimov, D.; Minkin, M.; Yurov, A.; Lukyanov, A. Current State of Research on the Mechanism of Cavitation Effects in the Treatment of Liquid Petroleum Products-Review and Proposals for Further Research (Současný stav výzkumu mechanismu kavitačních účinků při zpracování kapalných ropných produktů - přehled a návrhy dalšího výzkumu). Fluids, 2023, 8, 172. DOI: 10.3390/fluids8060172.
- Neelima, N. V.; Bhattacharya, S.; Holkar, C. R.; Jadhav, A. J.; Pandit, A. B.; Pinjari, D. V. Cavitation-Assisted Transformations in Bitumen Processing: A Review. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2024, 63, 6047-6065. DOI: 10.1021/acs.iecr.4c00785.
- Wan, C.; Wang, R.; Zhou, W.; Li, L. Experimental study on viscosity reduction of heavy oil by hydrogen donors using a cavitating jet. RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Application of Cavitation in Oil Processing (Použití kavitace při zpracování ropy): An Overview of Mechanisms and Results of Treatment (Přehled mechanismů a výsledků zpracování). ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. A systematic comparison of various upgrading techniques for heavy oil (Systematické srovnání různých technik zušlechťování těžké ropy). Journal of Petroleum Science and Engineering, 2017, 156, 623-632. DOI: 10.1016/j.petrol.2017.05.014.
- Cako, E.; Wang, Z.; Castro-Muñoz, R.; Rayaroth, M. P.; Boczkaj, G. Cavitation based cleaner technologies for biodiesel production and processing of hydrocarbon streams: A perspective on key fundamentals, missing process data and economic feasibility - A review. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- Pracovní skupina CIMAC pro paliva. Pokyny CIMAC: Marine fuels containing FAME - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024
