Hydrodynamische Kavitation ist eine aufstrebende, energieeffiziente Technologie zur Prozessintensivierung mit dem Potenzial, Effizienz, Ausbeute und Nachhaltigkeit in allen wichtigen Raffinerieprozessen zu verbessern. Durch die Erzeugung von kontrollierter mikroskaliger Scherung, Turbulenz und lokalisierten thermisch-mechanischen Effekten - innerhalb der CaviFlow®-Einheiten von RAPTECH - kann die hydrodynamische Kavitation die Vermischung, den Stoff- und Wärmetransfer, die Reaktionskinetik und die Konditionierung von Rohstoffen verbessern. In dieser Übersicht werden die Integrationsmöglichkeiten der hydrodynamischen Kavitation in den Bereichen Rohölentsalzung, verzögerte Verkokung, katalytisches Wirbelschichtcracken, Hydrotreating, Alkylierung und Rückstandsveredelung bewertet, wobei der Schwerpunkt auf dem mechanistischen Verständnis, der Anlagenkonfiguration und den betrieblichen Einschränkungen liegt.
Jüngste praktische Ergebnisse - einschließlich Rückstandsvermischung und -veredelung - zeigen messbare Vorteile bei der Mischung von Schweröl mit alternativen Kraftstoffen. Die kavitationsunterstützte Vermischung von HFO mit 20 % FAME führte zu einer Verbesserung der Viskosität, der Dichte, des Sedimentgehalts und der Stabilitätskennzahlen sowie zu einer Verringerung des Feinstaubanteils und zu einer leichten Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der hydrodynamischen Kavitation nicht nur für Raffinerieprozesse, sondern auch für den See-/Bunkerkraftstoffsektor, insbesondere im Zusammenhang mit der Norm ISO 8217:2024, die Schiffskraftstoffe mit einem FAME-Gehalt von bis zu 100 % zulässt. Die Ergebnisse spiegeln einen breiteren Branchentrend hin zu kohlenstoffarmen, erneuerbaren und variableren Rohstoffen wider.
Insgesamt stellen die hydrodynamische Kavitation und die CaviFlow®-Einheiten von RAPTECH einen vielversprechenden Weg dar, um die Verarbeitbarkeit zu verbessern, den Energiebedarf zu senken und den Übergang zu nachhaltigeren Raffinerie- und Schiffskraftstoffsystemen zu unterstützen. Während die meisten Daten aus Labor- und Pilotstudien stammen, unterstreichen die sich abzeichnenden Demonstrationen - einschließlich der Vermischung und Aufwertung von Rückständen - das Potenzial der hydrodynamischen Kavitation für den praktischen industriellen Einsatz.
1. Einleitung
Die Umwandlungsprozesse in Raffinerien sind von zentraler Bedeutung für die Umwandlung von Rohöl in Kraftstoffe, petrochemische Ausgangsstoffe und hochwertige Produkte. Effizienz und Produktqualität werden häufig durch die Heterogenität der Ausgangsstoffe, die Deaktivierung des Katalysators, Fouling und Einschränkungen beim Stoffaustausch eingeschränkt. Die zunehmende Verwendung von schweren und extraschweren Rohölen, die einen erheblichen Teil der weltweit förderbaren Reserven ausmachen, stellt aufgrund der hohen Viskosität, des niedrigen API-Gehalts (<20°) und des hohen Asphaltengehalts eine zusätzliche Herausforderung dar [1]. Diese Eigenschaften behindern den Wärme- und Stoffübergang, beschleunigen die Verschmutzung und erhöhen die Koksbildung in thermischen und katalytischen Prozessen.
Die hydrodynamische Kavitation hat sich als eine vielversprechende Strategie zur Prozessintensivierung herausgestellt. Sie erzeugt kontrollierte Mikrobläschen, lokalisierte Hotspots, extreme Scherkräfte und Druckgradienten, die chemische Reaktionen, Phasendispersion und Stoffübertragung verbessern können. Im Vergleich zum konventionellen mechanischen Mischen oder zu chemischen Additiven stellt die hydrodynamische Kavitation einen potenziell energieeffizienten und chemiearmen Ansatz zur Behebung von Engpässen in Raffinerien dar [2]. Hydrodynamische Kavitation kann mit Katalysatoren, Tensiden, milden Oxidationsmitteln (z. B., H₂O₂, Ozon) oder UV-Bestrahlung kombiniert werden, um die Reaktionseffizienz weiter zu verbessern und sauberere Verarbeitungsergebnisse zu erzielen [2].
Mechanistisch gesehen kann Kavitation Modifikationen auf molekularer Ebene in Kohlenwasserstoffen hervorrufen, einschließlich der Aufspaltung von Asphaltenen, teilweiser Rissbildung und Änderungen der rheologischen Eigenschaften, die die Handhabung des Rohmaterials und die Reaktionseffizienz verbessern [3]. Die Skalierung der hydrodynamischen Kavitation für den industriellen Einsatz ist eine Herausforderung, da es keine standardisierte Methode zur Quantifizierung der Kavitationsintensität bei verschiedenen Flüssigkeiten gibt und hohe Kapital- und Betriebskosten anfallen [1,4]. Erkenntnisse aus Labor- und Pilotstudien deuten darauf hin, dass die hydrodynamische Kavitation die Verarbeitbarkeit und Effizienz verbessern kann, obwohl die Validierung im industriellen Maßstab nach wie vor begrenzt ist.
Hydrodynamische kavitationsgestützte Prozesse können betriebliche und ökologische Vorteile bieten, einschließlich eines geringeren Energieverbrauchs, eines höheren Durchsatzes und geringerer Treibhausgasemissionen. Sie können herkömmliche Veredelungsmethoden ergänzen, die oft energieintensiv sind und rd-Reaktordesigns erfordern. Die Kavitationszahl wurde als systematischer Parameter zur Optimierung des Reaktordesigns und zur Verknüpfung experimenteller Daten mit praktischen Anwendungen vorgeschlagen.
2. Hydrodynamische Kavitation mit hoher Wirkung
2.1 Rohölentsalzung (CDU)
Die Integration von hydrodynamischer Kavitation am Einlass des Entsalzers kann die Öl-Wasser-Dispersion und die Salzentfernung verbessern. Mikroturbulenz, Scherung und lokale Druckschwankungen fördern das Aufbrechen stabiler Emulsionen und erzeugen feine, gleichmäßige Tröpfchen, die den Wasser-Öl-Kontakt verbessern und die Koaleszenz beschleunigen. Dies kann zu einem niedrigeren Restsalzgehalt, geringerer Verschmutzung und Korrosion sowie einer verbesserten Wärmeaustauschleistung führen [2]. Hydrodynamische Kavitationseinheiten können als kompakte Inline-Skids mit minimalen Änderungen an der bestehenden Entsalzungsinfrastruktur implementiert werden.
2.2 Delayed Coking (DCU)
Die Anwendung von hydrodynamischer Kavitation auf Vakuumrückstände vor Kokererhitzern kann die Homogenisierung der Beschickung verbessern und milde Pre-Upgrading-Effekte bewirken. Scherung, Mikromischung und lokale thermisch-mechanische Aktivierung fördern die partielle Aufspaltung von Asphalten und die Verringerung der Viskosität, wodurch ein gleichmäßigeres thermisches Cracken ermöglicht wird [5,3]. Studien im Pilotmaßstab haben Verbesserungen der Erhitzerstabilität, eine Verringerung der Koksablagerung und eine leichte Steigerung der Flüssigproduktausbeute ergeben, wenn die hydrodynamische Kavitation vor dem Coker integriert wird. Die Aufrechterhaltung einer angemessenen Kavitationsintensität ist von entscheidender Bedeutung, um übermäßiges Pre-Cracking zu vermeiden, insbesondere bei hocharomatischen oder instabilen Einsatzstoffen [1,3]. Die richtige Auslegung des hydrodynamischen Kavitationssystems und die Optimierung der Betriebsbedingungen sind daher von entscheidender Bedeutung für eine sichere und effektive Umsetzung.
2.3 Fluid Catalytic Cracking Unit (FCCU)
Vorkonditionierung von schweren Einsatzstoffen (z.B., Vakuumgasöl oder Rückstände) mittels hydrodynamischer Kavitation kann die Homogenisierung des Einsatzmaterials verbessern und asphalten- und metallreiche Aggregate teilweise aufbrechen, wodurch die effektive Schadstoffbelastung, die zur CCR-Bildung beiträgt, gesenkt werden kann [6]. Die durch die Kavitation erzeugte intensive Scherung und Mikrovermischung kann auch die Dispersion, den Stoffaustausch und die Gesamtrheologie des Einsatzmaterials verbessern, was zu einer höheren Umwandlungseffizienz und einer geringeren Verschmutzungsneigung führen kann. Diese Effekte wurden im Pilotmaßstab nachgewiesen, aber bisher gibt es keine öffentlich zugänglichen Daten, die den Einsatz von FCC im großen Maßstab bestätigen. Die Integration der hydrodynamischen Kavitation vor einer FCC-Anlage erfordert eine sorgfältige Planung der Einspeisungsschnittstelle, einschließlich Druck, Temperatur, Metallurgie und Kompatibilität mit bestehenden Vorwärm- und Einspeisungsverteilungssystemen.
2.4 Hydrotreaters (DHT, CNHT, NHT)
Durch hydrodynamische Kavitation unterstützte Wasserstoff-Öl-Vormischung kann die H₂-Dispersion und der Grenzflächenkontakt verbessert werden, wodurch die Entschwefelung, die Stickstoffentfernung und die Olefinsättigung gesteigert werden können [2,8]. Mikroturbulenzen und Scherkräfte vergrößern die verfügbare Grenzfläche und mildern so die Beschränkungen des Stofftransfers, die die Wirksamkeit des Katalysators verringern. Zur Optimierung der Kavitationsintensität, der Verweilzeit und der Modulintegration wird eine Pilotvalidierung empfohlen. Richtig konstruierte hydrodynamische Kavitationsmodule - druckbeständige Kufen mit Materialien, die mit den Prozessbedingungen kompatibel sind - können eine höhere Umwandlung pro Durchgang und eine verbesserte Langlebigkeit des Katalysators unterstützen.
2.5 Jet Fuel Caustic Treating (JCTU)
Bei der Laugenbehandlung von Flugzeugtreibstoff intensiviert die hydrodynamische Kavitation den Kontakt zwischen der Lauge und den Kohlenwasserstoffen, was die Mercaptanextraktion und die Produktstabilität verbessert. Mikrovermischung und hohe Grenzflächenerneuerung können den Laugenverbrauch senken und gleichzeitig die Süßungsleistung erhalten oder verbessern. Inline-Hydrodynamische Kavitationssysteme ermöglichen eine unkomplizierte Nachrüstung mit minimaler Prozessunterbrechung.
2.6 Alkylierungseinheiten (H₂SO₄ ALKY)
Hydrodynamische Kavitation kann den Säure-Kohlenwasserstoff-Kontakt in Alkylierungseinheiten verbessern, was zu gleichmäßigeren Reaktionsbedingungen führt und möglicherweise die Oktanzahl und die Produktausbeute erhöht [6]. Hohe Scherkräfte, Mikroturbulenzen und Druckschwankungen beschleunigen säurekatalysierte Reaktionen. Die Umsetzung erfordert eine strenge Materialauswahl, eine korrosionsbeständige Konstruktion und strenge Sicherheitsprotokolle. Eine Validierung im Pilotmaßstab wird vor der Einführung in vollem Umfang empfohlen.
2.7 Reststoffaufbereitung und -mischung
Hydrodynamische Kavitation kann sowohl die Mischung als auch die teilweise Aufbereitung von schweren Rückständen und Vakuumrückständen unterstützen, indem sie die Dispersion verbessert, die Viskosität verringert und die Gesamtbrennstoffstabilität erhöht.
Veredelungsanwendungen
Bei der Veredelung fördert die Kavitation die Entmischung des Asphaltens, die leichte Rissbildung, die Verringerung der Viskosität, die Verlagerung zu leichteren Fraktionen und die Minimierung des Schlamms [2-4]. Es hat sich gezeigt, dass die hydrodynamische Kavitationsbehandlung im Pilotmaßstab kosteneffizienter ist als die akustische Kavitation und dass sie die Bitumeneigenschaften, die Entschwefelung und die Emulsionsstabilität in Anwendungen wie FCC-Rohstoffen, Hydrotreatern und Schiffskraftstoffen verbessern kann [4,7,8]. Zwar stammen die meisten Berichte über Vorteile aus Labor- und Pilotmaßstäben, doch ist eine ordnungsgemäße Kontrolle der Kavitationsintensität und Verweilzeit für eine sichere und wirksame Anwendung von entscheidender Bedeutung.
Mischanwendungen
Bei Mischvorgängen fördert die hydrodynamische Kavitation die Bildung feiner, stabiler Dispersionen zwischen Schwerölen und Komponenten mit niedrigerer Viskosität wie Biodiesel oder Pyrolyseölen. Die bei der Kavitation erzeugte hohe Scherung und Mikroturbulenz verbessern die Mischbarkeit, verringern die Neigung zur Phasentrennung und verbessern die Homogenität während der Lagerung und Handhabung.
Unabhängige Tests bei Bureau Veritas und in Data-Physics-Labors haben diese Verbesserungen bestätigt. Tabelle 1 fasst einen Vergleich von HFO 380 mit 20 % Biodiesel (FAME) durch konventionelles Mischen von Hand (HD) und kavitationsgestütztes Mischen (CF) mit dem CaviFlow®-System von RAPTECH zusammen. Die kavitationsunterstützte Methode führte zu messbaren Verbesserungen bei Dichte, Viskosität, Schwefelgehalt, Aschegehalt, Sedimentgehalt und mittlerem Stabilitätsindex (MSI) und reduzierte gleichzeitig die Konzentration von Cat-Fines. Motorentests der FVTR GmbH ergaben außerdem eine bescheidene (~1%) Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs für das kavitationsbehandelte HFO-20% FAME-Gemisch.
Abhängig von der Schiffsgröße, dem Betriebsprofil und den Kraftstoffpreisen können solche Eigenschaftsverbesserungen zu bedeutenden betrieblichen Vorteilen im maritimen Sektor führen, wo Schweröl nach wie vor eine dominierende Energiequelle darstellt.
Tabelle 1. Vergleich von HFO 380 gemischt mit 20% Biodiesel (FAME) durch konventionelles Handblending (HD) und kavitationsunterstütztes Blending (CF).
(1) Schweröle mit °API < 22.3 werden in der Regel als "Schweröl" eingestuft.
(2) Obwohl der Flammpunkt sinkt, bleiben beide Mischungen weit über den Mindestgrenzwerten der ISO 8217 für Reststoffe in der Schifffahrt, wodurch die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften gewährleistet ist.
3. Schlussfolgerung
Die hydrodynamische Kavitation stellt ein vielseitiges Werkzeug zur Prozessintensivierung dar, mit dem sich mehrere anhaltende Herausforderungen bei der Erdölraffination bewältigen lassen, darunter die Heterogenität der Ausgangsstoffe, Beschränkungen des Stofftransfers, Fouling und die Verarbeitung hochviskoser Rückstände. Bei der Entsalzung von Rohöl, der thermischen und katalytischen Umwandlung, der Laugenbehandlung und der Alkylierung bietet die hydrodynamische Kavitation die Möglichkeit, die Dispersion, die Gleichmäßigkeit der Reaktion und die Betriebsstabilität zu verbessern und gleichzeitig den Energieverbrauch und die Umweltbelastung zu verringern.
Die vielversprechenden Ergebnisse, die für die Rückstandsaufbereitung und das kavitationsgestützte Blending gezeigt wurden - insbesondere die verbesserte Handhabung und Stabilität von HFO-FAME-Gemischen - unterstreichen die Relevanz der Hydrodynamischen Kavitation, da sowohl der Raffinerie- als auch der See-/Bunkerkraftstoffsektor zu vielfältigeren und erneuerbaren Kraftstoffströmen übergehen. Die Einführung der ISO-Norm 8217:2024 [9], die Schiffskraftstoffe mit einem FAME-Gehalt von bis zu 100 % zulässt, erhöht den Bedarf an Technologien zur Stabilisierung von Mischungen aus schweren Erdölfraktionen mit alternativen Kraftstoffen. Die Fähigkeit der hydrodynamischen Kavitation, die Viskosität zu verringern, die Phasenstabilität zu verbessern und Probleme mit Sedimenten und Verunreinigungen zu mindern, macht sie zu einem praktischen Wegbereiter in dieser sich entwickelnden Landschaft.
Die erfolgreiche industrielle Anwendung wird abhängen von:
Obwohl es sich derzeit überwiegend um Pilotanlagen handelt, zeigen die durch hydrodynamische Kavitation unterstützte Schwerölaufbereitung und Kraftstoffmischung vielversprechende Wege zur Steigerung der Raffinerieeffizienz, zur Integration alternativer Kraftstoffe und zur Unterstützung breiterer Dekarbonisierungs- und Nachhaltigkeitsziele auf [4]. Diese Vorteile sind direkt auf den See-/Bunkerkraftstoffsektor anwendbar und bieten Verbesserungen in den Bereichen Betrieb, Umwelt und Kraftstoffqualität.
Autor: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referenzen
Jüngste praktische Ergebnisse - einschließlich Rückstandsvermischung und -veredelung - zeigen messbare Vorteile bei der Mischung von Schweröl mit alternativen Kraftstoffen. Die kavitationsunterstützte Vermischung von HFO mit 20 % FAME führte zu einer Verbesserung der Viskosität, der Dichte, des Sedimentgehalts und der Stabilitätskennzahlen sowie zu einer Verringerung des Feinstaubanteils und zu einer leichten Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der hydrodynamischen Kavitation nicht nur für Raffinerieprozesse, sondern auch für den See-/Bunkerkraftstoffsektor, insbesondere im Zusammenhang mit der Norm ISO 8217:2024, die Schiffskraftstoffe mit einem FAME-Gehalt von bis zu 100 % zulässt. Die Ergebnisse spiegeln einen breiteren Branchentrend hin zu kohlenstoffarmen, erneuerbaren und variableren Rohstoffen wider.
Insgesamt stellen die hydrodynamische Kavitation und die CaviFlow®-Einheiten von RAPTECH einen vielversprechenden Weg dar, um die Verarbeitbarkeit zu verbessern, den Energiebedarf zu senken und den Übergang zu nachhaltigeren Raffinerie- und Schiffskraftstoffsystemen zu unterstützen. Während die meisten Daten aus Labor- und Pilotstudien stammen, unterstreichen die sich abzeichnenden Demonstrationen - einschließlich der Vermischung und Aufwertung von Rückständen - das Potenzial der hydrodynamischen Kavitation für den praktischen industriellen Einsatz.
1. Einleitung
Die Umwandlungsprozesse in Raffinerien sind von zentraler Bedeutung für die Umwandlung von Rohöl in Kraftstoffe, petrochemische Ausgangsstoffe und hochwertige Produkte. Effizienz und Produktqualität werden häufig durch die Heterogenität der Ausgangsstoffe, die Deaktivierung des Katalysators, Fouling und Einschränkungen beim Stoffaustausch eingeschränkt. Die zunehmende Verwendung von schweren und extraschweren Rohölen, die einen erheblichen Teil der weltweit förderbaren Reserven ausmachen, stellt aufgrund der hohen Viskosität, des niedrigen API-Gehalts (<20°) und des hohen Asphaltengehalts eine zusätzliche Herausforderung dar [1]. Diese Eigenschaften behindern den Wärme- und Stoffübergang, beschleunigen die Verschmutzung und erhöhen die Koksbildung in thermischen und katalytischen Prozessen.
Die hydrodynamische Kavitation hat sich als eine vielversprechende Strategie zur Prozessintensivierung herausgestellt. Sie erzeugt kontrollierte Mikrobläschen, lokalisierte Hotspots, extreme Scherkräfte und Druckgradienten, die chemische Reaktionen, Phasendispersion und Stoffübertragung verbessern können. Im Vergleich zum konventionellen mechanischen Mischen oder zu chemischen Additiven stellt die hydrodynamische Kavitation einen potenziell energieeffizienten und chemiearmen Ansatz zur Behebung von Engpässen in Raffinerien dar [2]. Hydrodynamische Kavitation kann mit Katalysatoren, Tensiden, milden Oxidationsmitteln (z. B., H₂O₂, Ozon) oder UV-Bestrahlung kombiniert werden, um die Reaktionseffizienz weiter zu verbessern und sauberere Verarbeitungsergebnisse zu erzielen [2].
Mechanistisch gesehen kann Kavitation Modifikationen auf molekularer Ebene in Kohlenwasserstoffen hervorrufen, einschließlich der Aufspaltung von Asphaltenen, teilweiser Rissbildung und Änderungen der rheologischen Eigenschaften, die die Handhabung des Rohmaterials und die Reaktionseffizienz verbessern [3]. Die Skalierung der hydrodynamischen Kavitation für den industriellen Einsatz ist eine Herausforderung, da es keine standardisierte Methode zur Quantifizierung der Kavitationsintensität bei verschiedenen Flüssigkeiten gibt und hohe Kapital- und Betriebskosten anfallen [1,4]. Erkenntnisse aus Labor- und Pilotstudien deuten darauf hin, dass die hydrodynamische Kavitation die Verarbeitbarkeit und Effizienz verbessern kann, obwohl die Validierung im industriellen Maßstab nach wie vor begrenzt ist.
Hydrodynamische kavitationsgestützte Prozesse können betriebliche und ökologische Vorteile bieten, einschließlich eines geringeren Energieverbrauchs, eines höheren Durchsatzes und geringerer Treibhausgasemissionen. Sie können herkömmliche Veredelungsmethoden ergänzen, die oft energieintensiv sind und rd-Reaktordesigns erfordern. Die Kavitationszahl wurde als systematischer Parameter zur Optimierung des Reaktordesigns und zur Verknüpfung experimenteller Daten mit praktischen Anwendungen vorgeschlagen.
2. Hydrodynamische Kavitation mit hoher Wirkung
2.1 Rohölentsalzung (CDU)
Die Integration von hydrodynamischer Kavitation am Einlass des Entsalzers kann die Öl-Wasser-Dispersion und die Salzentfernung verbessern. Mikroturbulenz, Scherung und lokale Druckschwankungen fördern das Aufbrechen stabiler Emulsionen und erzeugen feine, gleichmäßige Tröpfchen, die den Wasser-Öl-Kontakt verbessern und die Koaleszenz beschleunigen. Dies kann zu einem niedrigeren Restsalzgehalt, geringerer Verschmutzung und Korrosion sowie einer verbesserten Wärmeaustauschleistung führen [2]. Hydrodynamische Kavitationseinheiten können als kompakte Inline-Skids mit minimalen Änderungen an der bestehenden Entsalzungsinfrastruktur implementiert werden.
2.2 Delayed Coking (DCU)
Die Anwendung von hydrodynamischer Kavitation auf Vakuumrückstände vor Kokererhitzern kann die Homogenisierung der Beschickung verbessern und milde Pre-Upgrading-Effekte bewirken. Scherung, Mikromischung und lokale thermisch-mechanische Aktivierung fördern die partielle Aufspaltung von Asphalten und die Verringerung der Viskosität, wodurch ein gleichmäßigeres thermisches Cracken ermöglicht wird [5,3]. Studien im Pilotmaßstab haben Verbesserungen der Erhitzerstabilität, eine Verringerung der Koksablagerung und eine leichte Steigerung der Flüssigproduktausbeute ergeben, wenn die hydrodynamische Kavitation vor dem Coker integriert wird. Die Aufrechterhaltung einer angemessenen Kavitationsintensität ist von entscheidender Bedeutung, um übermäßiges Pre-Cracking zu vermeiden, insbesondere bei hocharomatischen oder instabilen Einsatzstoffen [1,3]. Die richtige Auslegung des hydrodynamischen Kavitationssystems und die Optimierung der Betriebsbedingungen sind daher von entscheidender Bedeutung für eine sichere und effektive Umsetzung.
2.3 Fluid Catalytic Cracking Unit (FCCU)
Vorkonditionierung von schweren Einsatzstoffen (z.B., Vakuumgasöl oder Rückstände) mittels hydrodynamischer Kavitation kann die Homogenisierung des Einsatzmaterials verbessern und asphalten- und metallreiche Aggregate teilweise aufbrechen, wodurch die effektive Schadstoffbelastung, die zur CCR-Bildung beiträgt, gesenkt werden kann [6]. Die durch die Kavitation erzeugte intensive Scherung und Mikrovermischung kann auch die Dispersion, den Stoffaustausch und die Gesamtrheologie des Einsatzmaterials verbessern, was zu einer höheren Umwandlungseffizienz und einer geringeren Verschmutzungsneigung führen kann. Diese Effekte wurden im Pilotmaßstab nachgewiesen, aber bisher gibt es keine öffentlich zugänglichen Daten, die den Einsatz von FCC im großen Maßstab bestätigen. Die Integration der hydrodynamischen Kavitation vor einer FCC-Anlage erfordert eine sorgfältige Planung der Einspeisungsschnittstelle, einschließlich Druck, Temperatur, Metallurgie und Kompatibilität mit bestehenden Vorwärm- und Einspeisungsverteilungssystemen.
2.4 Hydrotreaters (DHT, CNHT, NHT)
Durch hydrodynamische Kavitation unterstützte Wasserstoff-Öl-Vormischung kann die H₂-Dispersion und der Grenzflächenkontakt verbessert werden, wodurch die Entschwefelung, die Stickstoffentfernung und die Olefinsättigung gesteigert werden können [2,8]. Mikroturbulenzen und Scherkräfte vergrößern die verfügbare Grenzfläche und mildern so die Beschränkungen des Stofftransfers, die die Wirksamkeit des Katalysators verringern. Zur Optimierung der Kavitationsintensität, der Verweilzeit und der Modulintegration wird eine Pilotvalidierung empfohlen. Richtig konstruierte hydrodynamische Kavitationsmodule - druckbeständige Kufen mit Materialien, die mit den Prozessbedingungen kompatibel sind - können eine höhere Umwandlung pro Durchgang und eine verbesserte Langlebigkeit des Katalysators unterstützen.
2.5 Jet Fuel Caustic Treating (JCTU)
Bei der Laugenbehandlung von Flugzeugtreibstoff intensiviert die hydrodynamische Kavitation den Kontakt zwischen der Lauge und den Kohlenwasserstoffen, was die Mercaptanextraktion und die Produktstabilität verbessert. Mikrovermischung und hohe Grenzflächenerneuerung können den Laugenverbrauch senken und gleichzeitig die Süßungsleistung erhalten oder verbessern. Inline-Hydrodynamische Kavitationssysteme ermöglichen eine unkomplizierte Nachrüstung mit minimaler Prozessunterbrechung.
2.6 Alkylierungseinheiten (H₂SO₄ ALKY)
Hydrodynamische Kavitation kann den Säure-Kohlenwasserstoff-Kontakt in Alkylierungseinheiten verbessern, was zu gleichmäßigeren Reaktionsbedingungen führt und möglicherweise die Oktanzahl und die Produktausbeute erhöht [6]. Hohe Scherkräfte, Mikroturbulenzen und Druckschwankungen beschleunigen säurekatalysierte Reaktionen. Die Umsetzung erfordert eine strenge Materialauswahl, eine korrosionsbeständige Konstruktion und strenge Sicherheitsprotokolle. Eine Validierung im Pilotmaßstab wird vor der Einführung in vollem Umfang empfohlen.
2.7 Reststoffaufbereitung und -mischung
Hydrodynamische Kavitation kann sowohl die Mischung als auch die teilweise Aufbereitung von schweren Rückständen und Vakuumrückständen unterstützen, indem sie die Dispersion verbessert, die Viskosität verringert und die Gesamtbrennstoffstabilität erhöht.
Veredelungsanwendungen
Bei der Veredelung fördert die Kavitation die Entmischung des Asphaltens, die leichte Rissbildung, die Verringerung der Viskosität, die Verlagerung zu leichteren Fraktionen und die Minimierung des Schlamms [2-4]. Es hat sich gezeigt, dass die hydrodynamische Kavitationsbehandlung im Pilotmaßstab kosteneffizienter ist als die akustische Kavitation und dass sie die Bitumeneigenschaften, die Entschwefelung und die Emulsionsstabilität in Anwendungen wie FCC-Rohstoffen, Hydrotreatern und Schiffskraftstoffen verbessern kann [4,7,8]. Zwar stammen die meisten Berichte über Vorteile aus Labor- und Pilotmaßstäben, doch ist eine ordnungsgemäße Kontrolle der Kavitationsintensität und Verweilzeit für eine sichere und wirksame Anwendung von entscheidender Bedeutung.
Mischanwendungen
Bei Mischvorgängen fördert die hydrodynamische Kavitation die Bildung feiner, stabiler Dispersionen zwischen Schwerölen und Komponenten mit niedrigerer Viskosität wie Biodiesel oder Pyrolyseölen. Die bei der Kavitation erzeugte hohe Scherung und Mikroturbulenz verbessern die Mischbarkeit, verringern die Neigung zur Phasentrennung und verbessern die Homogenität während der Lagerung und Handhabung.
Unabhängige Tests bei Bureau Veritas und in Data-Physics-Labors haben diese Verbesserungen bestätigt. Tabelle 1 fasst einen Vergleich von HFO 380 mit 20 % Biodiesel (FAME) durch konventionelles Mischen von Hand (HD) und kavitationsgestütztes Mischen (CF) mit dem CaviFlow®-System von RAPTECH zusammen. Die kavitationsunterstützte Methode führte zu messbaren Verbesserungen bei Dichte, Viskosität, Schwefelgehalt, Aschegehalt, Sedimentgehalt und mittlerem Stabilitätsindex (MSI) und reduzierte gleichzeitig die Konzentration von Cat-Fines. Motorentests der FVTR GmbH ergaben außerdem eine bescheidene (~1%) Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs für das kavitationsbehandelte HFO-20% FAME-Gemisch.
Abhängig von der Schiffsgröße, dem Betriebsprofil und den Kraftstoffpreisen können solche Eigenschaftsverbesserungen zu bedeutenden betrieblichen Vorteilen im maritimen Sektor führen, wo Schweröl nach wie vor eine dominierende Energiequelle darstellt.
Tabelle 1. Vergleich von HFO 380 gemischt mit 20% Biodiesel (FAME) durch konventionelles Handblending (HD) und kavitationsunterstütztes Blending (CF).
| Parameter | Einheit | Mischen (HD) | Mischen (CF) | Verbesserung (%) |
|---|---|---|---|---|
| Dichte bei 50°C | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Kinematische Viskosität bei 50°C | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Schwefelgehalt | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Aschegehalt | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Pour Point | °C | -15 | -15 | 0 |
| Flash Point (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Gesamtsedimentpotenzial | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Gesamtsedimentgehalt | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Mean Stability Index (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Cat Fines (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Schweröle mit °API < 22.3 werden in der Regel als "Schweröl" eingestuft.
(2) Obwohl der Flammpunkt sinkt, bleiben beide Mischungen weit über den Mindestgrenzwerten der ISO 8217 für Reststoffe in der Schifffahrt, wodurch die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften gewährleistet ist.
3. Schlussfolgerung
Die hydrodynamische Kavitation stellt ein vielseitiges Werkzeug zur Prozessintensivierung dar, mit dem sich mehrere anhaltende Herausforderungen bei der Erdölraffination bewältigen lassen, darunter die Heterogenität der Ausgangsstoffe, Beschränkungen des Stofftransfers, Fouling und die Verarbeitung hochviskoser Rückstände. Bei der Entsalzung von Rohöl, der thermischen und katalytischen Umwandlung, der Laugenbehandlung und der Alkylierung bietet die hydrodynamische Kavitation die Möglichkeit, die Dispersion, die Gleichmäßigkeit der Reaktion und die Betriebsstabilität zu verbessern und gleichzeitig den Energieverbrauch und die Umweltbelastung zu verringern.
Die vielversprechenden Ergebnisse, die für die Rückstandsaufbereitung und das kavitationsgestützte Blending gezeigt wurden - insbesondere die verbesserte Handhabung und Stabilität von HFO-FAME-Gemischen - unterstreichen die Relevanz der Hydrodynamischen Kavitation, da sowohl der Raffinerie- als auch der See-/Bunkerkraftstoffsektor zu vielfältigeren und erneuerbaren Kraftstoffströmen übergehen. Die Einführung der ISO-Norm 8217:2024 [9], die Schiffskraftstoffe mit einem FAME-Gehalt von bis zu 100 % zulässt, erhöht den Bedarf an Technologien zur Stabilisierung von Mischungen aus schweren Erdölfraktionen mit alternativen Kraftstoffen. Die Fähigkeit der hydrodynamischen Kavitation, die Viskosität zu verringern, die Phasenstabilität zu verbessern und Probleme mit Sedimenten und Verunreinigungen zu mindern, macht sie zu einem praktischen Wegbereiter in dieser sich entwickelnden Landschaft.
Die erfolgreiche industrielle Anwendung wird abhängen von:
- Präzise Steuerung der Kavitationsintensität, um Effizienzgewinne mit der Integrität der Anlage in Einklang zu bringen.
- Gewährleistung der Kompatibilität mit Prozessströmen mit hohen Temperaturen, korrosiven Stoffen oder hoher Viskosität.
- Integration von HC-Modulen in bestehende Raffineriekonfigurationen ohne Unterbrechung der kritischen Prozesssteuerung.
Obwohl es sich derzeit überwiegend um Pilotanlagen handelt, zeigen die durch hydrodynamische Kavitation unterstützte Schwerölaufbereitung und Kraftstoffmischung vielversprechende Wege zur Steigerung der Raffinerieeffizienz, zur Integration alternativer Kraftstoffe und zur Unterstützung breiterer Dekarbonisierungs- und Nachhaltigkeitsziele auf [4]. Diese Vorteile sind direkt auf den See-/Bunkerkraftstoffsektor anwendbar und bieten Verbesserungen in den Bereichen Betrieb, Umwelt und Kraftstoffqualität.
Autor: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referenzen
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Schwerölveredelung: 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: A Review of Recent Advances and Perspectives for Greener Processing. 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. 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: Ein Überblick über die Mechanismen und Ergebnisse der Behandlung. ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. A systematic comparison of various upgrading techniques for heavy oil. 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: Ein Blick auf die wichtigsten Grundlagen, fehlende Prozessdaten und wirtschaftliche Machbarkeit - Ein Überblick. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- CIMAC-Arbeitsgruppe Kraftstoffe. CIMAC-Richtlinie: FAME-haltige Schiffskraftstoffe - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024
