Hüdrodünaamiline kavitatsioon on kujunemisjärgus energiatõhus tehnoloogia, mis võib suurendada tõhusust, tootlikkust ja jätkusuutlikkust kõigis peamistes rafineerimistehastes. RAPTECHi CaviFlow® seadmetes kontrollitud mikroskaalalisi nihkeid, turbulentsi ja lokaalseid termomehaanilisi mõjusid tekitades võib hüdrodünaamiline kavitatsioon parandada segamist, massi- ja soojusülekannet, reaktsioonikineetikat ja lähteaine konditsioneerimist. Käesolevas ülevaates hinnatakse hüdrodünaamilise kavitatsiooni integreerimisvõimalusi toorõli soolatustamise, hilinenud koksistamise, vedeliku katalüütilise krakkimise, hüdrogeenimise, alküülimise ja jääkide väärindamise puhul, pöörates tähelepanu mehaanilisele arusaamisele, seadmete konfiguratsioonile ja käitamispiirangutele.
Hiljutised praktilised tulemused - sealhulgas jääkide segamine ja väärindamine - näitavad mõõdetavat kasu raske kütteõli segamisel alternatiivsete kütustega. Kavitatsiooniga toetatud HFO segamine 20% FAMEga on näidanud viskoossuse, tiheduse, setete sisalduse ja stabiilsusnäitajate paranemist, samuti on vähenenud kassikillustik ja kütusekulu vähesel määral paranenud. Need tulemused rõhutavad hüdrodünaamilise kavitatsiooni olulisust mitte ainult rafineerimisprotsessides, vaid ka mere- ja punkrikütuste sektoris, eriti seoses standardiga ISO 8217:2024, mis lubab kuni 100% FAME-d sisaldavaid laevakütuseid. Tulemused peegeldavad tööstuse laiemat suundumust madala süsinikusisaldusega, taastuvate ja muutlikumate lähteainete suunas.
Üldiselt kujutavad hüdrodünaamiline kavitatsioon ja RAPTECHi CaviFlow®-seadmed endast paljulubavat võimalust parandada töödeldavust, vähendada energiavajadust ja toetada üleminekut säästvamate rafineerimis- ja laevakütusesüsteemide suunas. Kuigi enamik andmeid pärineb laboratoorsetest ja pilootuuringutest, rõhutavad uued näidised - sealhulgas jääkide segamine ja täiustamine - hüdrodünaamilise kavitatsiooni potentsiaali praktiliseks tööstuslikuks kasutuselevõtuks.
1. J äätmekäitlusseadmed.Sissejuhatus
Rafineerimisprotsessid on keskse tähtsusega toornafta muundamisel transpordikütusteks, naftakeemia lähteaineteks ja kõrge väärtusega toodeteks. Tõhusust ja tootekvaliteeti piiravad sageli lähteaine heterogeensus, katalüsaatori deaktiveerumine, saastumine ja massiülekandepiirangud. Raskete ja eriti raskete toorõlide, mis moodustavad olulise osa ülemaailmsest kaevandatavast varudest, suurenev kasutamine tekitab täiendavaid probleeme, mis tulenevad suurest viskoossusest, madalast API-tihedusest (<20°) ja kõrgest asfalteenisisaldusest [1]. Need omadused takistavad soojus- ja massiülekannet, kiirendavad reostumist ja suurendavad koksistumist termilistes ja katalüütilistes protsessides.
Hüdrodünaamiline kavitatsioon on kujunenud apromiseerivaks protsessi intensiivistamise strateegiaks. See tekitab kontrollitud mikromulle, lokaalseid kuumasid kohti, äärmuslikke nihkeid ja rõhugradiente, mis võivad tõhustada keemilisi reaktsioone, faaside hajutamist ja massiülekannet. Võrreldes tavapärase mehaanilise segamise või keemiliste lisanditega kujutab hüdrodünaamiline kavitatsioon endast potentsiaalselt energiatõhusat ja vähekeemilist lähenemist rafineerimistehaste kitsaskohtade lahendamiseks [2]. Hüdrodünaamilist kavitatsiooni saab kombineerida katalüsaatorite, pindaktiivsete ainete, kergete oksüdantide (nt, H₂O₂, osoon) või UV-kiirgusega, et veelgi parandada reaktsiooni tõhusust ja puhtamaid töötlemistulemusi [2].
Mehhanistiliselt võib kavitatsioon põhjustada süsivesinikes molekulaarsel tasandil muutusi, sealhulgas asfalteenide lagunemist, osalist pragunemist ja reoloogiliste omaduste muutusi, mis parandavad lähteaine käitlemist ja reaktsiooni tõhusust [3]. Hüdrodünaamilise kavitatsiooni rakendamine tööstuslikele toimingutele on keeruline, kuna puudub standardiseeritud meetod kavitatsiooni intensiivsuse kvantifitseerimiseks erinevate vedelike puhul ja see nõuab suuri kapitali- ja tegevuskulusid [1,4]. Laboratoorsed ja pilootuuringud näitavad, et hüdrodünaamiline kavitatsioon võib parandada töödeldavust ja tõhusust, kuigi täiemahuline tööstuslik valideerimine on endiselt piiratud.
Hüdrodünaamilise kavitatsiooniga toetatud protsessid võivad pakkuda töö- ja keskkonnaalast kasu, sealhulgas väiksemat energiatarbimist, suuremat läbilaskevõimet ja väiksemaid kasvuhoonegaaside heitkoguseid. Need võivad täiendada tavapäraseid väärindamismeetodeid, mis on sageli energiamahukad ja rd reaktori konstruktsiooniga. Kavitatsiooniarv on pakutud süstemaatilise parameetrina reaktori projekteerimise optimeerimiseks ja katseandmete ja praktiliste rakenduste ühendamiseks.
2. Suure mõjuga hüdrodünaamilise kavitatsiooni võimalused
2.1 Toorainete soolatustamine (CDU)
Hüdrodünaamilise kavitatsiooni integreerimine soolatustamise sisselaskekohas võib parandada õli ja vee hajutamist ja soolade eemaldamist. Mikroturbulentsus, nihked ja lokaalsed rõhu kõikumised soodustavad stabiilsete emulsioonide purunemist, tekitades peeneid, ühtlasi tilkasid, mis parandavad vee-õli kontakti ja kiirendavad koalestumist. Selle tulemuseks võib olla madalam jääksoolasisaldus, väiksem määrdumine ja korrosioon ning parem soojusvahetustulemus [2]. Hüdrodünaamilise kavitatsiooni seadmeid saab rakendada kompaktsete inline-skididena, tehes minimaalseid muudatusi olemasolevas soolatustamise infrastruktuuris.
2.2 Viivitatud koksistamine (DCU)
Hüdrodünaamilise kavitatsiooni rakendamine vaakumjäägile enne koksiahjude kuumutamist võib parandada sööda homogeniseerimist ja tekitada kerget eelkokkamise mõju. Nihkumine, mikrosegamine ja lokaalne termomehaaniline aktiveerimine soodustavad osalist asfalteeni lagunemist ja viskoossuse vähenemist, mis võimaldab ühtlasemat termilist krakkimist [5,3]. Katseuuringutes on täheldatud kütte stabiilsuse paranemist, koksi ladestumise vähenemist ja vedelate toodete saagise tagasihoidlikku suurenemist, kui hüdrodünaamiline kavitatsioon on integreeritud koksimisseadme ette. Sobiva kavitatsiooni intensiivsuse säilitamine on oluline, et vältida ülemäärast eelkrakkimist, eriti väga aromaatsete või ebastabiilsete lähteainete puhul [1,3]. Seetõttu on ohutu ja tõhusa rakendamise jaoks kriitilise tähtsusega hüdrodünaamilise kavitatsiooni süsteemi nõuetekohane projekteerimine ja töötingimuste optimeerimine.
2.3 Fluidkatalüütiline krakkimisüksus (FCCU)
Raskete lähteainete eeltöötlemine (nt, vaakumgaasiõli või jääk) hüdrodünaamilise kavitatsiooni abil võib suurendada sööda homogeniseerimist ja osaliselt lõhkuda asfalteeni- ja metallirikkaid agregaate, mis võib vähendada CCRi moodustumisele kaasa aitavat tegelikku saasteainekoormust [6]. Kavitatsiooni tekitatud intensiivne nihkumine ja mikrosegamine võib parandada ka dispersiooni, massiülekannet ja üldist sööda reoloogiat, mis võib toetada kõrgemat muundamise tõhusust ja väiksemat määrdumistendentsi. Neid mõjusid on näidatud katseprojekti mõõtkavas, kuid seni ei ole avalikult kättesaadavad andmed kinnitanud FCC rakendamist täismõõtkavas. Hüdrodünaamilise kavitatsiooni integreerimine FCC-seadme ette nõuab ettevaatuslike projekteerimistöödega seotud sööda sissepritse liidest, sealhulgas rõhku, temperatuuri, metallurgiat ja ühilduvust olemasolevate eelsoojendus- ja söödajaotussüsteemidega.
2. Hüdrodünaamiline kavitatsioon tuleb integreerida FCC-seadme ette.4 Hüdrotöötlusseadmed (DHT, CNHT, NHT)
Hüdrodünaamilise kavitatsiooni abil toimuv vesinik-õli eelsegamine võib parandada H₂-dispersiooni ja kokkupuudet piiripinnaga, mis võib parandada väävlitustamist, lämmastiku eemaldamist ja olefiini küllastumist [2,8]. Mikroturbulentsus ja nihkumine suurendavad olemasolevat pindala, leevendades massiülekande piiranguid, mis vähendavad katalüsaatori tõhusust. Kavitatsiooni raskusastme, viibeaja ja mooduli integreerimise optimeerimiseks on soovitatav katseline valideerimine. Nõuetekohaselt projekteeritud hüdrodünaamilised kavitatsioonimoodulid - rõhuastmega liistud, mille materjalid sobivad protsessi tingimustega - võivad toetada suuremat konversiooni läbimise kohta ja paremat katalüsaatori pikaealisust.
2.5 Reaktiivkütuse kaustiline töötlemine (JCTU)
Reaktiivkütuse kaustilisel töötlemisel intensiivistab hüdrodünaamiline kavitatsioon kontakti kaustilise lahuse ja süsivesinike vahel, parandades merkaptaanide ekstraheerimist ja toote stabiilsust. Mikrosegamine ja suur pindmise uuendamise võime võib vähendada kaustilise aine tarbimist, säilitades või parandades samal ajal magustamise tulemuslikkust. Inline Hydrodynamic Cavitation süsteemid võimaldavad lihtsat järeltõstmist minimaalsete protsessihäiretega.
2.6 Alküülimisüksused (H₂SO₄ ALKY)
Hüdrodünaamiline kavitatsioon võib parandada happe ja süsivesiniku kontakti alküülimisüksustes, soodustades ühtlasemaid reaktsioonitingimusi ja potentsiaalselt parandades oktaanarvu ja tootesaagist [6]. Suur nihkumine, mikroturbulentsus ja rõhu kõikumine kiirendavad happekatalüüsitud reaktsioone. Rakendamine nõuab ranget materjalivalikut, korrosioonikindlat konstruktsiooni ja rangeid ohutusprotokolle. Enne täiemahulist kasutuselevõttu on soovitatav katseliselt valideerida.
2.7 Jääkide väärindamine ja segamine
Hüdrodünaamiline kavitatsioon võib toetada nii raskete jääkide kui ka vaakumjäägi segamist ja osalist väärindamist, suurendades dispersiooni, vähendades viskoossust ja parandades üldist kütuse stabiilsust.
Ümbertöötamise rakendused
Ümbertöötamisel soodustab kavitatsioon asfalteenide lagunemist, kerget pragunemist, viskoossuse vähendamist, üleminekut kergemate fraktsioonide suunas ja muda minimeerimist [2-4]. On näidatud, et hüdrodünaamilise kavitatsiooniga toetatud jääkide töötlemine on pilootmõõdus toimingute puhul kulutasuvam kui akustiline kavitatsioon ning võib parandada bituumeni omadusi, väävlitustamist ja emulsiooni stabiilsust sellistes rakendustes nagu FCC lähteained, hüdrotöötlejad ja laevakütused [4,7,8]. Kuigi enamik teatatud eeliseid on saadud labori- ja pilootmõõdus, on ohutu ja tõhusa rakendamise jaoks kriitilise tähtsusega kavitatsiooni intensiivsuse ja viibeaja nõuetekohane kontroll.
Segamisrakendused
Segamisoperatsioonides soodustab hüdrodünaamiline kavitatsioon peene, stabiilse dispersiooni moodustamist raskete õlide ja madalama viskoossusega komponentide, näiteks biodiisli või pürolüüsiõlide vahel. Kavitatsiooni käigus tekkiv suur nihkumine ja mikroturbulentsus parandavad segunevust, vähendavad faaside eraldumise kalduvust ning parandavad homogeensust ladustamise ja käitlemise ajal.
Sõltumatud katsed Bureau Veritas'is ja andmefüüsika laboratooriumides kinnitasid neid parandusi. Tabelis 1 on esitatud kokkuvõte HFO 380 ja 20% biodiislikütuse (FAME) segamise võrdlus, kasutades tavapärast käsitsi segamist (HD) ja kavitatsiooni abil segamist (CF) RAPTECHi CaviFlow® süsteemiga. Kavitatsiooniga abistatud meetodiga saavutati mõõdetavad parandused tiheduse, viskoossuse, väävlisisalduse, tuhasuse, sette sisalduse ja keskmise stabiilsusindeksi (MSI) osas, vähendades samas ka kassikillustiku kontsentratsiooni. FVTR GmbH poolt läbiviidud mootorikatsed näitasid lisaks sellele, et kavitatsiooniga töödeldud HFO-20% FAME segu kütusekulu vähenes mõõdukalt (~1%).
Sõltuvalt laeva suurusest, tegevusprofiilist ja kütuse hinnast võivad sellised omaduste parandused tuua märkimisväärset kasu merendussektoris, kus raske kütteõli on endiselt peamine energiaallikas.
Tabel 1. HFO 380 ja 20% biodiisli (FAME) segude võrdlus, kasutades tavapärast käsitsi segamist (HD) ja kavitatsiooniga segamist (CF).
c 3s5b1r3e5a6k
(1) Raskeõlid, mille °API < 22.3 liigitatakse tavaliselt "raskeks kütteõliks".
(2) Kuigi leekpunkt vähenes, jäävad mõlemad segud tunduvalt üle ISO 8217 jääkkütuste miinimumpiiride, mis tagavad vastavuse ohutusnõuetele.
3. Kokkuvõte
Hüdrodünaamiline kavitatsioon on mitmekülgne protsessi tõhustamise vahend, mis suudab lahendada mitmeid püsivaid probleeme nafta rafineerimisel, sealhulgas lähteaine heterogeensus, massi ülekandmise piirangud, reostumine ja kõrge viskoossusega jääkide töötlemine. Toorõli soolatustamise, termilise ja katalüütilise muundamise üksuste, kaustilise töötlemise ja alküülimise puhul pakub hüdrodünaamiline kavitatsioon võimalusi dispersiooni, reaktsiooni ühtluse ja töö stabiilsuse parandamiseks, vähendades samal ajal potentsiaalselt energiatarbimist ja keskkonnamõju.
Paljutõotavad tulemused, mida on näidatud jääkide väärindamisel ja kavitatsiooniga toetatud segamisel - eriti HFO-FAME segude parem käitlemine ja stabiilsus - rõhutavad hüdrodünaamilise kavitatsiooni olulisust, kuna nii rafineerimise kui ka mere-/punkrikütuse sektorid lähevad üle mitmekesisema ja taastuva kütusevoo kasutamisele. ISO 8217:2024 [9 ] kehtestamine, mis võimaldab kuni 100% FAME-d sisaldavaid laevakütuseid, suurendab veelgi vajadust tehnoloogiate järele, mis võimaldavad stabiliseerida raskete naftafraktsioonide segusid alternatiivsete kütustega. Hüdrodünaamilise kavitatsiooni võime vähendada viskoossust, parandada faaside stabiilsust ning leevendada setete ja saasteainete probleeme muudab selle praktiliseks vahendiks selles arenevas maastikus.
Edukas tööstuslik kasutuselevõtt sõltub järgmistest asjaoludest:
Kuigi praegused tõendid on valdavalt pilootmõõdus, näitavad hüdrodünaamilise kavitatsiooni abil toimuv raskeõli töötlemine ja kütuse segamine julgustavaid võimalusi rafineerimistehaste tõhususe suurendamiseks, alternatiivsete kütuste integreerimiseks ja laiemate süsinikdioksiidi heite vähendamise ja jätkusuutlikkuse eesmärkide toetamiseks [4]. Need eelised on otseselt rakendatavad merendus-/punkrikütuse sektoris, pakkudes tegevus-, keskkonna- ja kütusekvaliteedi parandusi.
Autor:
:Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Viited
Hiljutised praktilised tulemused - sealhulgas jääkide segamine ja väärindamine - näitavad mõõdetavat kasu raske kütteõli segamisel alternatiivsete kütustega. Kavitatsiooniga toetatud HFO segamine 20% FAMEga on näidanud viskoossuse, tiheduse, setete sisalduse ja stabiilsusnäitajate paranemist, samuti on vähenenud kassikillustik ja kütusekulu vähesel määral paranenud. Need tulemused rõhutavad hüdrodünaamilise kavitatsiooni olulisust mitte ainult rafineerimisprotsessides, vaid ka mere- ja punkrikütuste sektoris, eriti seoses standardiga ISO 8217:2024, mis lubab kuni 100% FAME-d sisaldavaid laevakütuseid. Tulemused peegeldavad tööstuse laiemat suundumust madala süsinikusisaldusega, taastuvate ja muutlikumate lähteainete suunas.
Üldiselt kujutavad hüdrodünaamiline kavitatsioon ja RAPTECHi CaviFlow®-seadmed endast paljulubavat võimalust parandada töödeldavust, vähendada energiavajadust ja toetada üleminekut säästvamate rafineerimis- ja laevakütusesüsteemide suunas. Kuigi enamik andmeid pärineb laboratoorsetest ja pilootuuringutest, rõhutavad uued näidised - sealhulgas jääkide segamine ja täiustamine - hüdrodünaamilise kavitatsiooni potentsiaali praktiliseks tööstuslikuks kasutuselevõtuks.
1. J äätmekäitlusseadmed.Sissejuhatus
Rafineerimisprotsessid on keskse tähtsusega toornafta muundamisel transpordikütusteks, naftakeemia lähteaineteks ja kõrge väärtusega toodeteks. Tõhusust ja tootekvaliteeti piiravad sageli lähteaine heterogeensus, katalüsaatori deaktiveerumine, saastumine ja massiülekandepiirangud. Raskete ja eriti raskete toorõlide, mis moodustavad olulise osa ülemaailmsest kaevandatavast varudest, suurenev kasutamine tekitab täiendavaid probleeme, mis tulenevad suurest viskoossusest, madalast API-tihedusest (<20°) ja kõrgest asfalteenisisaldusest [1]. Need omadused takistavad soojus- ja massiülekannet, kiirendavad reostumist ja suurendavad koksistumist termilistes ja katalüütilistes protsessides.
Hüdrodünaamiline kavitatsioon on kujunenud apromiseerivaks protsessi intensiivistamise strateegiaks. See tekitab kontrollitud mikromulle, lokaalseid kuumasid kohti, äärmuslikke nihkeid ja rõhugradiente, mis võivad tõhustada keemilisi reaktsioone, faaside hajutamist ja massiülekannet. Võrreldes tavapärase mehaanilise segamise või keemiliste lisanditega kujutab hüdrodünaamiline kavitatsioon endast potentsiaalselt energiatõhusat ja vähekeemilist lähenemist rafineerimistehaste kitsaskohtade lahendamiseks [2]. Hüdrodünaamilist kavitatsiooni saab kombineerida katalüsaatorite, pindaktiivsete ainete, kergete oksüdantide (nt, H₂O₂, osoon) või UV-kiirgusega, et veelgi parandada reaktsiooni tõhusust ja puhtamaid töötlemistulemusi [2].
Mehhanistiliselt võib kavitatsioon põhjustada süsivesinikes molekulaarsel tasandil muutusi, sealhulgas asfalteenide lagunemist, osalist pragunemist ja reoloogiliste omaduste muutusi, mis parandavad lähteaine käitlemist ja reaktsiooni tõhusust [3]. Hüdrodünaamilise kavitatsiooni rakendamine tööstuslikele toimingutele on keeruline, kuna puudub standardiseeritud meetod kavitatsiooni intensiivsuse kvantifitseerimiseks erinevate vedelike puhul ja see nõuab suuri kapitali- ja tegevuskulusid [1,4]. Laboratoorsed ja pilootuuringud näitavad, et hüdrodünaamiline kavitatsioon võib parandada töödeldavust ja tõhusust, kuigi täiemahuline tööstuslik valideerimine on endiselt piiratud.
Hüdrodünaamilise kavitatsiooniga toetatud protsessid võivad pakkuda töö- ja keskkonnaalast kasu, sealhulgas väiksemat energiatarbimist, suuremat läbilaskevõimet ja väiksemaid kasvuhoonegaaside heitkoguseid. Need võivad täiendada tavapäraseid väärindamismeetodeid, mis on sageli energiamahukad ja rd reaktori konstruktsiooniga. Kavitatsiooniarv on pakutud süstemaatilise parameetrina reaktori projekteerimise optimeerimiseks ja katseandmete ja praktiliste rakenduste ühendamiseks.
2. Suure mõjuga hüdrodünaamilise kavitatsiooni võimalused
2.1 Toorainete soolatustamine (CDU)
Hüdrodünaamilise kavitatsiooni integreerimine soolatustamise sisselaskekohas võib parandada õli ja vee hajutamist ja soolade eemaldamist. Mikroturbulentsus, nihked ja lokaalsed rõhu kõikumised soodustavad stabiilsete emulsioonide purunemist, tekitades peeneid, ühtlasi tilkasid, mis parandavad vee-õli kontakti ja kiirendavad koalestumist. Selle tulemuseks võib olla madalam jääksoolasisaldus, väiksem määrdumine ja korrosioon ning parem soojusvahetustulemus [2]. Hüdrodünaamilise kavitatsiooni seadmeid saab rakendada kompaktsete inline-skididena, tehes minimaalseid muudatusi olemasolevas soolatustamise infrastruktuuris.
2.2 Viivitatud koksistamine (DCU)
Hüdrodünaamilise kavitatsiooni rakendamine vaakumjäägile enne koksiahjude kuumutamist võib parandada sööda homogeniseerimist ja tekitada kerget eelkokkamise mõju. Nihkumine, mikrosegamine ja lokaalne termomehaaniline aktiveerimine soodustavad osalist asfalteeni lagunemist ja viskoossuse vähenemist, mis võimaldab ühtlasemat termilist krakkimist [5,3]. Katseuuringutes on täheldatud kütte stabiilsuse paranemist, koksi ladestumise vähenemist ja vedelate toodete saagise tagasihoidlikku suurenemist, kui hüdrodünaamiline kavitatsioon on integreeritud koksimisseadme ette. Sobiva kavitatsiooni intensiivsuse säilitamine on oluline, et vältida ülemäärast eelkrakkimist, eriti väga aromaatsete või ebastabiilsete lähteainete puhul [1,3]. Seetõttu on ohutu ja tõhusa rakendamise jaoks kriitilise tähtsusega hüdrodünaamilise kavitatsiooni süsteemi nõuetekohane projekteerimine ja töötingimuste optimeerimine.
2.3 Fluidkatalüütiline krakkimisüksus (FCCU)
Raskete lähteainete eeltöötlemine (nt, vaakumgaasiõli või jääk) hüdrodünaamilise kavitatsiooni abil võib suurendada sööda homogeniseerimist ja osaliselt lõhkuda asfalteeni- ja metallirikkaid agregaate, mis võib vähendada CCRi moodustumisele kaasa aitavat tegelikku saasteainekoormust [6]. Kavitatsiooni tekitatud intensiivne nihkumine ja mikrosegamine võib parandada ka dispersiooni, massiülekannet ja üldist sööda reoloogiat, mis võib toetada kõrgemat muundamise tõhusust ja väiksemat määrdumistendentsi. Neid mõjusid on näidatud katseprojekti mõõtkavas, kuid seni ei ole avalikult kättesaadavad andmed kinnitanud FCC rakendamist täismõõtkavas. Hüdrodünaamilise kavitatsiooni integreerimine FCC-seadme ette nõuab ettevaatuslike projekteerimistöödega seotud sööda sissepritse liidest, sealhulgas rõhku, temperatuuri, metallurgiat ja ühilduvust olemasolevate eelsoojendus- ja söödajaotussüsteemidega.
2. Hüdrodünaamiline kavitatsioon tuleb integreerida FCC-seadme ette.4 Hüdrotöötlusseadmed (DHT, CNHT, NHT)
Hüdrodünaamilise kavitatsiooni abil toimuv vesinik-õli eelsegamine võib parandada H₂-dispersiooni ja kokkupuudet piiripinnaga, mis võib parandada väävlitustamist, lämmastiku eemaldamist ja olefiini küllastumist [2,8]. Mikroturbulentsus ja nihkumine suurendavad olemasolevat pindala, leevendades massiülekande piiranguid, mis vähendavad katalüsaatori tõhusust. Kavitatsiooni raskusastme, viibeaja ja mooduli integreerimise optimeerimiseks on soovitatav katseline valideerimine. Nõuetekohaselt projekteeritud hüdrodünaamilised kavitatsioonimoodulid - rõhuastmega liistud, mille materjalid sobivad protsessi tingimustega - võivad toetada suuremat konversiooni läbimise kohta ja paremat katalüsaatori pikaealisust.
2.5 Reaktiivkütuse kaustiline töötlemine (JCTU)
Reaktiivkütuse kaustilisel töötlemisel intensiivistab hüdrodünaamiline kavitatsioon kontakti kaustilise lahuse ja süsivesinike vahel, parandades merkaptaanide ekstraheerimist ja toote stabiilsust. Mikrosegamine ja suur pindmise uuendamise võime võib vähendada kaustilise aine tarbimist, säilitades või parandades samal ajal magustamise tulemuslikkust. Inline Hydrodynamic Cavitation süsteemid võimaldavad lihtsat järeltõstmist minimaalsete protsessihäiretega.
2.6 Alküülimisüksused (H₂SO₄ ALKY)
Hüdrodünaamiline kavitatsioon võib parandada happe ja süsivesiniku kontakti alküülimisüksustes, soodustades ühtlasemaid reaktsioonitingimusi ja potentsiaalselt parandades oktaanarvu ja tootesaagist [6]. Suur nihkumine, mikroturbulentsus ja rõhu kõikumine kiirendavad happekatalüüsitud reaktsioone. Rakendamine nõuab ranget materjalivalikut, korrosioonikindlat konstruktsiooni ja rangeid ohutusprotokolle. Enne täiemahulist kasutuselevõttu on soovitatav katseliselt valideerida.
2.7 Jääkide väärindamine ja segamine
Hüdrodünaamiline kavitatsioon võib toetada nii raskete jääkide kui ka vaakumjäägi segamist ja osalist väärindamist, suurendades dispersiooni, vähendades viskoossust ja parandades üldist kütuse stabiilsust.
Ümbertöötamise rakendused
Ümbertöötamisel soodustab kavitatsioon asfalteenide lagunemist, kerget pragunemist, viskoossuse vähendamist, üleminekut kergemate fraktsioonide suunas ja muda minimeerimist [2-4]. On näidatud, et hüdrodünaamilise kavitatsiooniga toetatud jääkide töötlemine on pilootmõõdus toimingute puhul kulutasuvam kui akustiline kavitatsioon ning võib parandada bituumeni omadusi, väävlitustamist ja emulsiooni stabiilsust sellistes rakendustes nagu FCC lähteained, hüdrotöötlejad ja laevakütused [4,7,8]. Kuigi enamik teatatud eeliseid on saadud labori- ja pilootmõõdus, on ohutu ja tõhusa rakendamise jaoks kriitilise tähtsusega kavitatsiooni intensiivsuse ja viibeaja nõuetekohane kontroll.
Segamisrakendused
Segamisoperatsioonides soodustab hüdrodünaamiline kavitatsioon peene, stabiilse dispersiooni moodustamist raskete õlide ja madalama viskoossusega komponentide, näiteks biodiisli või pürolüüsiõlide vahel. Kavitatsiooni käigus tekkiv suur nihkumine ja mikroturbulentsus parandavad segunevust, vähendavad faaside eraldumise kalduvust ning parandavad homogeensust ladustamise ja käitlemise ajal.
Sõltumatud katsed Bureau Veritas'is ja andmefüüsika laboratooriumides kinnitasid neid parandusi. Tabelis 1 on esitatud kokkuvõte HFO 380 ja 20% biodiislikütuse (FAME) segamise võrdlus, kasutades tavapärast käsitsi segamist (HD) ja kavitatsiooni abil segamist (CF) RAPTECHi CaviFlow® süsteemiga. Kavitatsiooniga abistatud meetodiga saavutati mõõdetavad parandused tiheduse, viskoossuse, väävlisisalduse, tuhasuse, sette sisalduse ja keskmise stabiilsusindeksi (MSI) osas, vähendades samas ka kassikillustiku kontsentratsiooni. FVTR GmbH poolt läbiviidud mootorikatsed näitasid lisaks sellele, et kavitatsiooniga töödeldud HFO-20% FAME segu kütusekulu vähenes mõõdukalt (~1%).
Sõltuvalt laeva suurusest, tegevusprofiilist ja kütuse hinnast võivad sellised omaduste parandused tuua märkimisväärset kasu merendussektoris, kus raske kütteõli on endiselt peamine energiaallikas.
Tabel 1. HFO 380 ja 20% biodiisli (FAME) segude võrdlus, kasutades tavapärast käsitsi segamist (HD) ja kavitatsiooniga segamist (CF).
c 3s5b1r3e5a6k
| Parameeter | Üksus | Segamine (HD) | Segamine (CF) | Paranemine (%) |
|---|---|---|---|---|
| Tihedus 50 °C juures | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Kinemaatiline viskoossus 50 °C juures | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Väävlisisaldus | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Tuhk Sisu | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Pour Point | °C | -15 | -15 | 0 |
| Leekpunkt (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Kogu setete potentsiaal | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Olemasolev sete kokku | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Keskmine stabiilsusindeks (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Kasside trahvid (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Raskeõlid, mille °API < 22.3 liigitatakse tavaliselt "raskeks kütteõliks".
(2) Kuigi leekpunkt vähenes, jäävad mõlemad segud tunduvalt üle ISO 8217 jääkkütuste miinimumpiiride, mis tagavad vastavuse ohutusnõuetele.
3. Kokkuvõte
Hüdrodünaamiline kavitatsioon on mitmekülgne protsessi tõhustamise vahend, mis suudab lahendada mitmeid püsivaid probleeme nafta rafineerimisel, sealhulgas lähteaine heterogeensus, massi ülekandmise piirangud, reostumine ja kõrge viskoossusega jääkide töötlemine. Toorõli soolatustamise, termilise ja katalüütilise muundamise üksuste, kaustilise töötlemise ja alküülimise puhul pakub hüdrodünaamiline kavitatsioon võimalusi dispersiooni, reaktsiooni ühtluse ja töö stabiilsuse parandamiseks, vähendades samal ajal potentsiaalselt energiatarbimist ja keskkonnamõju.
Paljutõotavad tulemused, mida on näidatud jääkide väärindamisel ja kavitatsiooniga toetatud segamisel - eriti HFO-FAME segude parem käitlemine ja stabiilsus - rõhutavad hüdrodünaamilise kavitatsiooni olulisust, kuna nii rafineerimise kui ka mere-/punkrikütuse sektorid lähevad üle mitmekesisema ja taastuva kütusevoo kasutamisele. ISO 8217:2024 [9 ] kehtestamine, mis võimaldab kuni 100% FAME-d sisaldavaid laevakütuseid, suurendab veelgi vajadust tehnoloogiate järele, mis võimaldavad stabiliseerida raskete naftafraktsioonide segusid alternatiivsete kütustega. Hüdrodünaamilise kavitatsiooni võime vähendada viskoossust, parandada faaside stabiilsust ning leevendada setete ja saasteainete probleeme muudab selle praktiliseks vahendiks selles arenevas maastikus.
Edukas tööstuslik kasutuselevõtt sõltub järgmistest asjaoludest:
- Kavitatsiooni intensiivsuse täpne kontroll, et saavutada tasakaal tõhususe suurendamise ja seadmete terviklikkuse vahel.
- Ühilduvuse tagamine kõrge temperatuuriga, korrosiivsete või kõrge viskoossusega protsessivoogudega.
- HC-moodulite integreerimine olemasolevatesse rafineerimistehaste konfiguratsioonidesse, ilma et see häiriks kriitilist protsessi kontrolli.
Kuigi praegused tõendid on valdavalt pilootmõõdus, näitavad hüdrodünaamilise kavitatsiooni abil toimuv raskeõli töötlemine ja kütuse segamine julgustavaid võimalusi rafineerimistehaste tõhususe suurendamiseks, alternatiivsete kütuste integreerimiseks ja laiemate süsinikdioksiidi heite vähendamise ja jätkusuutlikkuse eesmärkide toetamiseks [4]. Need eelised on otseselt rakendatavad merendus-/punkrikütuse sektoris, pakkudes tegevus-, keskkonna- ja kütusekvaliteedi parandusi.
Autor:
:Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Viited
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Raskeõli väärindamine: Tulevase kütusevarustuse avamine. 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. Eksperimentaalne uuring raskete õlide viskoossuse vähendamiseks vesinikdoonorite abil kaviteeriva joaga. RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Kavitatsiooni rakendamine nafta töötlemisel: An Overview of Mechanisms and Results of Treatment. ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. Erinevate raskete naftatöötlusmeetodite süstemaatiline võrdlus. 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. Kavitatsioonil põhinevad puhtamad tehnoloogiad biodiisli tootmiseks ja süsivesinike voogude töötlemiseks: Ülevaade peamistest põhialustest, puuduvatest protsessiandmetest ja majanduslikust teostatavusest. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- CIMACi kütuste töörühm. CIMACi suunis: FAME'i sisaldavad merekütused - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024.
