Hydrodynamisk kavitation er en ny, energieffektiv procesintensiveringsteknologi med potentiale til at forbedre effektivitet, udbytte og bæredygtighed på tværs af vigtige raffinaderioperationer. Ved at generere kontrolleret forskydning i mikroskala, turbulens og lokaliserede termisk-mekaniske effekter - i RAPTECHs CaviFlow®-enheder - kan hydrodynamisk kavitation forbedre blanding, masse- og varmeoverførsel, reaktionskinetik og konditionering af råmaterialer. Denne gennemgang evaluerer mulighederne for integration af hydrodynamisk kavitation på tværs af råafsaltning, forsinket koksning, flydende katalytisk krakning, hydrobehandling, alkylering og opgradering af restprodukter med vægt på mekanistisk forståelse, udstyrskonfiguration og driftsmæssige begrænsninger.
De seneste praktiske resultater - herunder blanding og opgradering af restprodukter - viser målbare fordele ved blanding af tung brændselsolie med alternative brændstoffer. Kavitationsassisteret blanding af HFO med 20 % FAME har vist forbedret viskositet, densitet, sedimentindhold og stabilitetsindeks samt reduceret cat-fines og beskedne forbedringer af brændstofforbruget. Disse resultater fremhæver den hydrodynamiske kavitations relevans, ikke kun for raffinaderiprocesser, men også for den maritime brændstofsektor, især i forbindelse med ISO 8217:2024, som tillader skibsbrændstoffer, der indeholder op til 100 % FAME. Resultaterne afspejler en bredere industritrend mod kulstoffattige, vedvarende og mere variable råmaterialer.
Samlet set udgør hydrodynamisk kavitation og RAPTECH's CaviFlow®-enheder en lovende vej til at forbedre processabiliteten, reducere energibehovet og støtte overgangen til mere bæredygtige raffinaderi- og skibsbrændstofsystemer. Mens de fleste data stammer fra laboratorie- og pilotskalaundersøgelser, understreger nye demonstrationer - herunder blanding og opgradering af restprodukter - den hydrodynamiske kavitations potentiale for praktisk industriel anvendelse.
1. Introduktion
Raffinaderikonverteringsprocesser er centrale for omdannelsen af råolie til transportbrændstoffer, petrokemiske råmaterialer og produkter af høj værdi. Effektiviteten og produktkvaliteten begrænses ofte af råmaterialets heterogenitet, katalysatordeaktivering, begroning og masseoverførselsbegrænsninger. Den stigende brug af tunge og ekstra tunge råolier, som udgør en betydelig del af de udvindelige globale reserver, giver yderligere udfordringer på grund af høj viskositet, lav API-tyngdekraft (<20°) og forhøjet indhold af asfaltener [1]. Disse egenskaber hindrer varme- og masseoverførsel, fremskynder begroning og øger koksdannelsen i termiske og katalytiske processer.
Hydrodynamisk kavitation har vist sig at være en meget effektiv procesintensiveringsstrategi. Den genererer kontrollerede mikrobobler, lokaliserede hotspots, ekstrem forskydning og trykgradienter, som kan forbedre kemiske reaktioner, fasedispersion og masseoverførsel. Sammenlignet med konventionel mekanisk blanding eller kemiske tilsætningsstoffer repræsenterer hydrodynamisk kavitation en potentielt energieffektiv og lavkemisk tilgang til håndtering af flaskehalse i raffinaderier [2]. Hydrodynamisk kavitation kan kombineres med katalysatorer, overfladeaktive stoffer, milde oxidationsmidler (f.eks, H₂O₂, ozon) eller UV-bestråling for yderligere at forbedre reaktionseffektiviteten og renere behandlingsresultater [2].
Mekanistisk set kan kavitation fremkalde modifikationer på molekylært niveau i kulbrinter, herunder asfaltedisaggregering, delvis krakning og ændringer i reologiske egenskaber, som forbedrer håndtering af råmateriale og reaktionseffektivitet [3]. Skalering af hydrodynamisk kavitation til industriel drift er en udfordring, fordi der ikke findes en standardiseret metode til at kvantificere kavitationsintensiteten på tværs af forskellige væsker, og det kræver høje kapital- og driftsomkostninger [1,4]. Beviser fra laboratorie- og pilotstudier tyder på, at hydrodynamisk kavitation kan forbedre bearbejdeligheden og effektiviteten, selvom industriel validering i fuld skala stadig er begrænset.
Hydrodynamisk kavitationsassisterede processer kan give drifts- og miljøfordele, herunder reduceret energiforbrug, forbedret gennemstrømning og lavere drivhusgasemissioner. De kan supplere konventionelle opgraderingsmetoder, som ofte er energikrævende og kræver et særligt reaktordesign. Kavitationstallet er blevet foreslået som en systematisk parameter til at optimere reaktordesign og bygge bro mellem eksperimentelle data og praktiske anvendelser.
2. Muligheder for hydrodynamisk kavitation med stor effekt
2.1 Afsaltning af råolie (CDU)
Integrering af hydrodynamisk kavitation ved afsaltningsindløbet kan forbedre olie-vand-dispersionen og saltfjernelsen. Mikroturbulens, forskydning og lokaliserede tryksvingninger fremmer opløsningen af stabile emulsioner og skaber fine, ensartede dråber, der forbedrer vand-oliekontakten og fremskynder koalescens. Dette kan resultere i lavere restsaltindhold, reduceret begroning og korrosion samt forbedret varmevekslingsydelse [2]. Hydrodynamiske kavitationsenheder kan implementeres som kompakte inline-skids med minimale ændringer af den eksisterende afsaltningsinfrastruktur.
2.2 Forsinket koksning (DCU)
Anvendelse af hydrodynamisk kavitation på vakuumrester før koksere kan forbedre foderhomogeniseringen og fremkalde milde præ-opgraderingseffekter. Forskydning, mikroblanding og lokal termisk-mekanisk aktivering fremmer delvis opsplitning af asfalt og reduktion af viskositet, hvilket muliggør en mere ensartet termisk krakning [5,3]. Pilotskalaundersøgelser har rapporteret forbedringer i varmerens stabilitet, reduktioner i koksaflejring og beskedne stigninger i udbyttet af flydende produkter, når hydrodynamisk kavitation integreres opstrøms for cokeren. Det er vigtigt at opretholde en passende kavitationsintensitet for at undgå overdreven præ-krakning, især i meget aromatiske eller ustabile feeds [1,3]. Korrekt design af det hydrodynamiske kavitationssystem og optimering af driftsbetingelserne er derfor afgørende for en sikker og effektiv implementering.
2.3 Fluid Catalytic Cracking Unit (FCCU)
Forkonditionering af tunge feeds (f.eks, vakuumgasolie eller restprodukter) via hydrodynamisk kavitation kan forbedre homogeniseringen af foderet og delvist nedbryde asfalten- og metalrige aggregater, hvilket potentielt kan sænke den effektive forureningsbelastning, der bidrager til dannelsen af CCR [6]. Den intense forskydning og mikroblanding, der genereres af kavitation, kan også forbedre dispersionen, masseoverførslen og den samlede foderreologi, hvilket kan understøtte højere konverteringseffektivitet og reduceret tendens til begroning. Disse effekter er blevet demonstreret i pilotskala, men ingen offentligt tilgængelige data bekræfter implementering af FCC i fuld skala til dato. Integrering af hydrodynamisk kavitation opstrøms for en FCC-enhed kræver omhyggelig konstruktion af foderinjektionsgrænsefladen, herunder tryk, temperatur, metallurgi og kompatibilitet med eksisterende forvarmnings- og foderdistributionssystemer.
2.4 Hydrobehandlere (DHT, CNHT, NHT)
Hydrodynamisk Kavitation-assisteret hydrogen-olie forblanding kan forbedre H₂-dispersion og grænsefladekontakt, hvilket potentielt kan forbedre afsvovling, nitrogenfjernelse og olefinmætning [2,8] . Mikroturbulens og forskydning øger det tilgængelige grænsefladeareal, hvilket mindsker masseoverførselsbegrænsninger, der reducerer katalysatoreffektiviteten. Pilotvalidering anbefales for at optimere kavitationens sværhedsgrad, opholdstid og modulintegration. Korrekt konstruerede hydrodynamiske kavitationsmoduler - trykklassificerede skids med materialer, der er kompatible med procesforholdene - kan understøtte højere konvertering pr. passage og forbedret katalysatorlevetid.
2.5 Jet Fuel Caustic Treating (JCTU)
Ved kaustisk behandling af jetbrændstof intensiverer hydrodynamisk kavitation kontakten mellem kaustisk opløsning og kulbrinter, hvilket forbedrer mercaptan-ekstraktion og produktstabilitet. Mikroblanding og høj grænsefladefornyelse kan reducere kaustikforbruget og samtidig opretholde eller forbedre sødningsydelsen. Inline hydrodynamiske kavitationssystemer giver mulighed for direkte eftermontering med minimal procesforstyrrelse.
2.6 Alkyleringsenheder (H₂SO₄ ALKY )
Hydrodynamisk kavitation kan forbedre syre-kulbrinte-kontakten i alkyleringsenheder, fremme mere ensartede reaktionsforhold og potentielt forbedre oktantallet og produktudbyttet [6]. Høj forskydning, mikroturbulens og tryksvingninger fremskynder syrekatalyserede reaktioner. Implementering kræver nøje materialevalg, korrosionsbestandigt design og strenge sikkerhedsprotokoller. Validering i pilotskala anbefales før anvendelse i fuld skala.
2.7 Opgradering og blanding af restprodukter
Hydrodynamisk kavitation kan understøtte både blanding og delvis opgradering af tunge restprodukter og vakuumrester ved at øge dispersionen, reducere viskositeten og forbedre den samlede brændstofstabilitet.
Opgraderingsanvendelser
Til opgradering fremmer kavitation opsplitning af asfalt, mild krakning, viskositetsreduktion, et skift mod lettere fraktioner og slamminimering [2-4]. Hydrodynamisk kavitationsassisteret restproduktbehandling har vist sig at være mere omkostningseffektiv end akustisk kavitation til pilotskalaoperationer og kan forbedre bitumenegenskaber, afsvovling og emulsionsstabilitet i applikationer som FCC-råmaterialer, hydrogenbehandlere og marine brændstoffer [4,7,8]. Mens de fleste rapporterede fordele stammer fra laboratorie- og pilotskalaer, er korrekt kontrol af kavitationsintensitet og opholdstid afgørende for sikker og effektiv implementering.
Blandingsapplikationer
I blandingsoperationer fremmer hydrodynamisk kavitation dannelsen af fine, stabile dispersioner mellem tunge olier og komponenter med lavere viskositet såsom biodiesel eller pyrolyseolier. Den høje forskydning og mikroturbulens, der genereres under kavitation, forbedrer blandbarheden, reducerer tilbøjeligheden til faseseparation og forbedrer homogeniteten under opbevaring og håndtering.
Uafhængige test hos Bureau Veritas og datafysiske laboratorier bekræftede disse forbedringer. Tabel 1 opsummerer en sammenligning af HFO 380 blandet med 20 % biodiesel (FAME) ved hjælp af konventionel håndblanding (HD) og kavitationsassisteret blanding (CF) med RAPTECH's CaviFlow®-system. Den kavitationsassisterede metode gav målbare forbedringer i densitet, viskositet, svovlindhold, askeindhold, sedimentniveauer og middelstabilitetsindeks (MSI), samtidig med at koncentrationen af kattefinner blev reduceret. Motortest udført af FVTR GmbH viste desuden en beskeden (~1 %) reduktion i brændstofforbruget for den kavitationsbehandlede HFO-20 % FAME-blanding.
Afhængigt af skibsstørrelse, driftsprofil og brændstofpriser kan sådanne forbedringer af egenskaberne give meningsfulde driftsmæssige fordele i den maritime sektor, hvor tung fuelolie fortsat er en dominerende energikilde.
Tabel 1. Sammenligning af HFO 380 blandet med 20 % biodiesel (FAME) ved hjælp af konventionel håndblanding (HD) og kavitationsassisteret blanding (CF).
(1) Tunge olier med °API < 22.3 klassificeres typisk som "tung brændselsolie".
(2) Selvom flammepunktet faldt, forbliver begge blandinger langt over ISO 8217's minimumsgrænser for resterende skibsbrændstoffer, hvilket sikrer overholdelse af sikkerhedsbestemmelserne.
3. Konklusion
Hydrodynamisk kavitation er et alsidigt procesintensiveringsværktøj, der kan løse flere vedvarende udfordringer inden for olieraffinering, herunder heterogenitet i råmaterialet, masseoverførselsbegrænsninger, begroning og behandling af restprodukter med høj viskositet. På tværs af råafsaltning, termiske og katalytiske konverteringsenheder, kaustisk behandling og alkylering giver hydrodynamisk kavitation muligheder for at forbedre spredning, reaktionsuniformitet og driftsstabilitet, samtidig med at energiforbruget og miljøpåvirkningen potentielt reduceres.
De lovende resultater, der er påvist for opgradering af restprodukter og kavitationsassisteret blanding - især den forbedrede håndtering og stabilitet af HFO-FAME-blandinger - understreger den hydrodynamiske kavitations relevans i takt med, at både raffinaderisektoren og den maritime/bunkerbaserede brændstofsektor overgår til mere forskelligartede og vedvarende brændstofstrømme. Indførelsen af ISO 8217:2024 [9], der muliggør skibsbrændstoffer, der indeholder op til 100 % FAME, forstærker yderligere behovet for teknologier, der kan stabilisere blandinger af tunge oliefraktioner med alternative brændstoffer. Hydrodynamisk kavitations evne til at reducere viskositet, forbedre fasestabilitet og afbøde problemer med sediment og forurening gør den til en praktisk mulighed i dette udviklingslandskab.
Succesfuld industriel anvendelse vil afhænge af:
Selvom de nuværende beviser overvejende er i pilotskala, viser hydrodynamisk kavitationsassisteret tungoliebehandling og brændstofblanding opmuntrende veje til at øge raffinaderieffektiviteten, muliggøre integration af alternative brændstoffer og støtte bredere mål for dekarbonisering og bæredygtighed [4]. Disse fordele er direkte anvendelige i den maritime sektor/bunkerbrændstofsektoren og giver forbedringer af drift, miljø og brændstofkvalitet.
Author: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referencer
De seneste praktiske resultater - herunder blanding og opgradering af restprodukter - viser målbare fordele ved blanding af tung brændselsolie med alternative brændstoffer. Kavitationsassisteret blanding af HFO med 20 % FAME har vist forbedret viskositet, densitet, sedimentindhold og stabilitetsindeks samt reduceret cat-fines og beskedne forbedringer af brændstofforbruget. Disse resultater fremhæver den hydrodynamiske kavitations relevans, ikke kun for raffinaderiprocesser, men også for den maritime brændstofsektor, især i forbindelse med ISO 8217:2024, som tillader skibsbrændstoffer, der indeholder op til 100 % FAME. Resultaterne afspejler en bredere industritrend mod kulstoffattige, vedvarende og mere variable råmaterialer.
Samlet set udgør hydrodynamisk kavitation og RAPTECH's CaviFlow®-enheder en lovende vej til at forbedre processabiliteten, reducere energibehovet og støtte overgangen til mere bæredygtige raffinaderi- og skibsbrændstofsystemer. Mens de fleste data stammer fra laboratorie- og pilotskalaundersøgelser, understreger nye demonstrationer - herunder blanding og opgradering af restprodukter - den hydrodynamiske kavitations potentiale for praktisk industriel anvendelse.
1. Introduktion
Raffinaderikonverteringsprocesser er centrale for omdannelsen af råolie til transportbrændstoffer, petrokemiske råmaterialer og produkter af høj værdi. Effektiviteten og produktkvaliteten begrænses ofte af råmaterialets heterogenitet, katalysatordeaktivering, begroning og masseoverførselsbegrænsninger. Den stigende brug af tunge og ekstra tunge råolier, som udgør en betydelig del af de udvindelige globale reserver, giver yderligere udfordringer på grund af høj viskositet, lav API-tyngdekraft (<20°) og forhøjet indhold af asfaltener [1]. Disse egenskaber hindrer varme- og masseoverførsel, fremskynder begroning og øger koksdannelsen i termiske og katalytiske processer.
Hydrodynamisk kavitation har vist sig at være en meget effektiv procesintensiveringsstrategi. Den genererer kontrollerede mikrobobler, lokaliserede hotspots, ekstrem forskydning og trykgradienter, som kan forbedre kemiske reaktioner, fasedispersion og masseoverførsel. Sammenlignet med konventionel mekanisk blanding eller kemiske tilsætningsstoffer repræsenterer hydrodynamisk kavitation en potentielt energieffektiv og lavkemisk tilgang til håndtering af flaskehalse i raffinaderier [2]. Hydrodynamisk kavitation kan kombineres med katalysatorer, overfladeaktive stoffer, milde oxidationsmidler (f.eks, H₂O₂, ozon) eller UV-bestråling for yderligere at forbedre reaktionseffektiviteten og renere behandlingsresultater [2].
Mekanistisk set kan kavitation fremkalde modifikationer på molekylært niveau i kulbrinter, herunder asfaltedisaggregering, delvis krakning og ændringer i reologiske egenskaber, som forbedrer håndtering af råmateriale og reaktionseffektivitet [3]. Skalering af hydrodynamisk kavitation til industriel drift er en udfordring, fordi der ikke findes en standardiseret metode til at kvantificere kavitationsintensiteten på tværs af forskellige væsker, og det kræver høje kapital- og driftsomkostninger [1,4]. Beviser fra laboratorie- og pilotstudier tyder på, at hydrodynamisk kavitation kan forbedre bearbejdeligheden og effektiviteten, selvom industriel validering i fuld skala stadig er begrænset.
Hydrodynamisk kavitationsassisterede processer kan give drifts- og miljøfordele, herunder reduceret energiforbrug, forbedret gennemstrømning og lavere drivhusgasemissioner. De kan supplere konventionelle opgraderingsmetoder, som ofte er energikrævende og kræver et særligt reaktordesign. Kavitationstallet er blevet foreslået som en systematisk parameter til at optimere reaktordesign og bygge bro mellem eksperimentelle data og praktiske anvendelser.
2. Muligheder for hydrodynamisk kavitation med stor effekt
2.1 Afsaltning af råolie (CDU)
Integrering af hydrodynamisk kavitation ved afsaltningsindløbet kan forbedre olie-vand-dispersionen og saltfjernelsen. Mikroturbulens, forskydning og lokaliserede tryksvingninger fremmer opløsningen af stabile emulsioner og skaber fine, ensartede dråber, der forbedrer vand-oliekontakten og fremskynder koalescens. Dette kan resultere i lavere restsaltindhold, reduceret begroning og korrosion samt forbedret varmevekslingsydelse [2]. Hydrodynamiske kavitationsenheder kan implementeres som kompakte inline-skids med minimale ændringer af den eksisterende afsaltningsinfrastruktur.
2.2 Forsinket koksning (DCU)
Anvendelse af hydrodynamisk kavitation på vakuumrester før koksere kan forbedre foderhomogeniseringen og fremkalde milde præ-opgraderingseffekter. Forskydning, mikroblanding og lokal termisk-mekanisk aktivering fremmer delvis opsplitning af asfalt og reduktion af viskositet, hvilket muliggør en mere ensartet termisk krakning [5,3]. Pilotskalaundersøgelser har rapporteret forbedringer i varmerens stabilitet, reduktioner i koksaflejring og beskedne stigninger i udbyttet af flydende produkter, når hydrodynamisk kavitation integreres opstrøms for cokeren. Det er vigtigt at opretholde en passende kavitationsintensitet for at undgå overdreven præ-krakning, især i meget aromatiske eller ustabile feeds [1,3]. Korrekt design af det hydrodynamiske kavitationssystem og optimering af driftsbetingelserne er derfor afgørende for en sikker og effektiv implementering.
2.3 Fluid Catalytic Cracking Unit (FCCU)
Forkonditionering af tunge feeds (f.eks, vakuumgasolie eller restprodukter) via hydrodynamisk kavitation kan forbedre homogeniseringen af foderet og delvist nedbryde asfalten- og metalrige aggregater, hvilket potentielt kan sænke den effektive forureningsbelastning, der bidrager til dannelsen af CCR [6]. Den intense forskydning og mikroblanding, der genereres af kavitation, kan også forbedre dispersionen, masseoverførslen og den samlede foderreologi, hvilket kan understøtte højere konverteringseffektivitet og reduceret tendens til begroning. Disse effekter er blevet demonstreret i pilotskala, men ingen offentligt tilgængelige data bekræfter implementering af FCC i fuld skala til dato. Integrering af hydrodynamisk kavitation opstrøms for en FCC-enhed kræver omhyggelig konstruktion af foderinjektionsgrænsefladen, herunder tryk, temperatur, metallurgi og kompatibilitet med eksisterende forvarmnings- og foderdistributionssystemer.
2.4 Hydrobehandlere (DHT, CNHT, NHT)
Hydrodynamisk Kavitation-assisteret hydrogen-olie forblanding kan forbedre H₂-dispersion og grænsefladekontakt, hvilket potentielt kan forbedre afsvovling, nitrogenfjernelse og olefinmætning [2,8] . Mikroturbulens og forskydning øger det tilgængelige grænsefladeareal, hvilket mindsker masseoverførselsbegrænsninger, der reducerer katalysatoreffektiviteten. Pilotvalidering anbefales for at optimere kavitationens sværhedsgrad, opholdstid og modulintegration. Korrekt konstruerede hydrodynamiske kavitationsmoduler - trykklassificerede skids med materialer, der er kompatible med procesforholdene - kan understøtte højere konvertering pr. passage og forbedret katalysatorlevetid.
2.5 Jet Fuel Caustic Treating (JCTU)
Ved kaustisk behandling af jetbrændstof intensiverer hydrodynamisk kavitation kontakten mellem kaustisk opløsning og kulbrinter, hvilket forbedrer mercaptan-ekstraktion og produktstabilitet. Mikroblanding og høj grænsefladefornyelse kan reducere kaustikforbruget og samtidig opretholde eller forbedre sødningsydelsen. Inline hydrodynamiske kavitationssystemer giver mulighed for direkte eftermontering med minimal procesforstyrrelse.
2.6 Alkyleringsenheder (H₂SO₄ ALKY )
Hydrodynamisk kavitation kan forbedre syre-kulbrinte-kontakten i alkyleringsenheder, fremme mere ensartede reaktionsforhold og potentielt forbedre oktantallet og produktudbyttet [6]. Høj forskydning, mikroturbulens og tryksvingninger fremskynder syrekatalyserede reaktioner. Implementering kræver nøje materialevalg, korrosionsbestandigt design og strenge sikkerhedsprotokoller. Validering i pilotskala anbefales før anvendelse i fuld skala.
2.7 Opgradering og blanding af restprodukter
Hydrodynamisk kavitation kan understøtte både blanding og delvis opgradering af tunge restprodukter og vakuumrester ved at øge dispersionen, reducere viskositeten og forbedre den samlede brændstofstabilitet.
Opgraderingsanvendelser
Til opgradering fremmer kavitation opsplitning af asfalt, mild krakning, viskositetsreduktion, et skift mod lettere fraktioner og slamminimering [2-4]. Hydrodynamisk kavitationsassisteret restproduktbehandling har vist sig at være mere omkostningseffektiv end akustisk kavitation til pilotskalaoperationer og kan forbedre bitumenegenskaber, afsvovling og emulsionsstabilitet i applikationer som FCC-råmaterialer, hydrogenbehandlere og marine brændstoffer [4,7,8]. Mens de fleste rapporterede fordele stammer fra laboratorie- og pilotskalaer, er korrekt kontrol af kavitationsintensitet og opholdstid afgørende for sikker og effektiv implementering.
Blandingsapplikationer
I blandingsoperationer fremmer hydrodynamisk kavitation dannelsen af fine, stabile dispersioner mellem tunge olier og komponenter med lavere viskositet såsom biodiesel eller pyrolyseolier. Den høje forskydning og mikroturbulens, der genereres under kavitation, forbedrer blandbarheden, reducerer tilbøjeligheden til faseseparation og forbedrer homogeniteten under opbevaring og håndtering.
Uafhængige test hos Bureau Veritas og datafysiske laboratorier bekræftede disse forbedringer. Tabel 1 opsummerer en sammenligning af HFO 380 blandet med 20 % biodiesel (FAME) ved hjælp af konventionel håndblanding (HD) og kavitationsassisteret blanding (CF) med RAPTECH's CaviFlow®-system. Den kavitationsassisterede metode gav målbare forbedringer i densitet, viskositet, svovlindhold, askeindhold, sedimentniveauer og middelstabilitetsindeks (MSI), samtidig med at koncentrationen af kattefinner blev reduceret. Motortest udført af FVTR GmbH viste desuden en beskeden (~1 %) reduktion i brændstofforbruget for den kavitationsbehandlede HFO-20 % FAME-blanding.
Afhængigt af skibsstørrelse, driftsprofil og brændstofpriser kan sådanne forbedringer af egenskaberne give meningsfulde driftsmæssige fordele i den maritime sektor, hvor tung fuelolie fortsat er en dominerende energikilde.
Tabel 1. Sammenligning af HFO 380 blandet med 20 % biodiesel (FAME) ved hjælp af konventionel håndblanding (HD) og kavitationsassisteret blanding (CF).
| Parameter | Enhed | Blanding (HD) | Blanding (CF) | Forbedring (%) |
|---|---|---|---|---|
| Densitet ved 50°C | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Kinematisk viskositet ved 50°C | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Svovlindhold | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Indhold af aske | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Hældningspunkt | °C | -15 | -15 | 0 |
| Flammepunkt (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Samlet sedimentpotentiale | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Samlet sediment Eksisterende | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Gennemsnitligt stabilitetsindeks (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Kattebøder (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Tunge olier med °API < 22.3 klassificeres typisk som "tung brændselsolie".
(2) Selvom flammepunktet faldt, forbliver begge blandinger langt over ISO 8217's minimumsgrænser for resterende skibsbrændstoffer, hvilket sikrer overholdelse af sikkerhedsbestemmelserne.
3. Konklusion
Hydrodynamisk kavitation er et alsidigt procesintensiveringsværktøj, der kan løse flere vedvarende udfordringer inden for olieraffinering, herunder heterogenitet i råmaterialet, masseoverførselsbegrænsninger, begroning og behandling af restprodukter med høj viskositet. På tværs af råafsaltning, termiske og katalytiske konverteringsenheder, kaustisk behandling og alkylering giver hydrodynamisk kavitation muligheder for at forbedre spredning, reaktionsuniformitet og driftsstabilitet, samtidig med at energiforbruget og miljøpåvirkningen potentielt reduceres.
De lovende resultater, der er påvist for opgradering af restprodukter og kavitationsassisteret blanding - især den forbedrede håndtering og stabilitet af HFO-FAME-blandinger - understreger den hydrodynamiske kavitations relevans i takt med, at både raffinaderisektoren og den maritime/bunkerbaserede brændstofsektor overgår til mere forskelligartede og vedvarende brændstofstrømme. Indførelsen af ISO 8217:2024 [9], der muliggør skibsbrændstoffer, der indeholder op til 100 % FAME, forstærker yderligere behovet for teknologier, der kan stabilisere blandinger af tunge oliefraktioner med alternative brændstoffer. Hydrodynamisk kavitations evne til at reducere viskositet, forbedre fasestabilitet og afbøde problemer med sediment og forurening gør den til en praktisk mulighed i dette udviklingslandskab.
Succesfuld industriel anvendelse vil afhænge af:
- Præcis styring af kavitationsintensiteten for at afbalancere effektivitetsgevinster med udstyrets integritet.
- Sikrer kompatibilitet med processtrømme med høj temperatur, ætsende stoffer eller høj viskositet.
- Integrering af HC-moduler i eksisterende raffinaderikonfigurationer uden at forstyrre kritisk proceskontrol.
Selvom de nuværende beviser overvejende er i pilotskala, viser hydrodynamisk kavitationsassisteret tungoliebehandling og brændstofblanding opmuntrende veje til at øge raffinaderieffektiviteten, muliggøre integration af alternative brændstoffer og støtte bredere mål for dekarbonisering og bæredygtighed [4]. Disse fordele er direkte anvendelige i den maritime sektor/bunkerbrændstofsektoren og giver forbedringer af drift, miljø og brændstofkvalitet.
Author: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referencer
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Opgradering af tung olie: Unlocking the future fuel supply. 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: En gennemgang af de seneste fremskridt og perspektiver for grønnere forarbejdning. 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. 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. Eksperimentel undersøgelse af viskositetsreduktion af tung olie med brintdonorer ved hjælp af en kavitationsstråle. RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Anvendelse af kavitation i olieforarbejdning: En oversigt over mekanismer og behandlingsresultater. ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. En systematisk sammenligning af forskellige opgraderingsteknikker til tung olie. 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: Et perspektiv på vigtige grundlæggende elementer, manglende procesdata og økonomisk gennemførlighed - en gennemgang. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- CIMAC-arbejdsgruppen for brændstoffer. CIMAC-retningslinje: Marine brændstoffer, der indeholder FAME - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024
