Hydrodynaaminen kavitaatio on kehittyvä, energiatehokas prosessin tehostamisteknologia, jonka avulla voidaan parantaa tehokkuutta, saantoa ja kestävyyttä jalostamoiden keskeisissä toiminnoissa. Kun RAPTECHin CaviFlow®-yksiköissä luodaan hallittua mikroskaalan leikkausta, turbulenssia ja paikallisia lämpömekaanisia vaikutuksia, hydrodynaamisella kavitaatiolla voidaan parantaa sekoittumista, massan- ja lämmönsiirtoa, reaktiokinetiikkaa ja raaka-aineiden käsittelyä. Tässä katsauksessa arvioidaan hydrodynaamisen kavitaation integrointimahdollisuuksia raakaöljyn suolanpoistossa, viivästetyssä koksauksessa, nestekatalyyttisessä krakkauksessa, vetykäsittelyssä, alkyloinnissa ja tähteen jalostuksessa painottaen mekaniikan ymmärtämistä, laitekokoonpanoa ja toiminnallisia rajoituksia.
Viimeaikaiset käytännön tulokset - mukaan lukien tähteen sekoittaminen ja jalostus - osoittavat mitattavissa olevia hyötyjä raskaan polttoöljyn sekoittamisessa vaihtoehtoisten polttoaineiden kanssa. Kavitaatioavusteinen HFO:n sekoittaminen 20 %:n FAME:n kanssa on parantanut viskositeettia, tiheyttä, sedimenttipitoisuutta ja stabiilisuusindeksejä sekä vähentänyt kat-hienoainesta ja parantanut hieman polttoaineen kulutusta. Nämä havainnot korostavat hydrodynaamisen kavitaation merkitystä jalostamoprosessien lisäksi myös merenkulun ja bunkkeripolttoainesektorilla, erityisesti ISO 8217:2024 -standardin yhteydessä, joka sallii meriliikenteessä käytettävät polttoaineet, jotka sisältävät jopa 100 % FAMEa. Tulokset heijastavat teollisuuden laajempaa suuntausta kohti vähähiilisiä, uusiutuvia ja vaihtelevampia raaka-aineita.
Kaiken kaikkiaan hydrodynaaminen kavitaatio ja RAPTECHin CaviFlow®-yksiköt tarjoavat lupaavan väylän prosessoitavuuden parantamiseen, energiantarpeen vähentämiseen ja siirtymisen tukemiseen kohti kestävämpiä jalostamo- ja meriliikenteen polttoainejärjestelmiä. Vaikka suurin osa tiedoista on peräisin laboratorio- ja pilottimittakaavan tutkimuksista, uudet demonstraatiot - mukaan lukien jäännösten sekoittaminen ja jalostaminen - korostavat hydrodynaamisen kavitaation mahdollisuuksia käytännön teolliseen käyttöön.
1. JOHDANTOJohdanto
Jalostamoiden muuntoprosessit ovat keskeisiä raakaöljyn muuntamisessa liikennepolttoaineiksi, petrokemian raaka-aineiksi ja korkealaatuisiksi tuotteiksi. Tehokkuutta ja tuotteiden laatua rajoittavat usein raaka-aineiden heterogeenisuus, katalyytin deaktivoituminen, likaantuminen ja aineensiirtorajoitukset. Raskaiden ja erittäin raskaiden raakaöljyjen, jotka muodostavat merkittävän osan hyödynnettävissä olevista maailmanlaajuisista varannoista, lisääntyvä käyttö aiheuttaa lisähaasteita korkean viskositeetin, alhaisen API-painon (< 20°) ja korkean asfalteenipitoisuuden vuoksi [1]. Nämä ominaisuudet haittaavat lämmön- ja aineensiirtoa, kiihdyttävät likaantumista ja lisäävät koksin muodostumista lämpö- ja katalyyttisissä prosesseissa.
Hydrodynaaminen kavitaatio on noussut esiin prosessin tehostamisstrategiana. Se tuottaa kontrolloituja mikrokuplia, paikallisia kuumia pisteitä, äärimmäistä leikkausta ja painegradientteja, jotka voivat tehostaa kemiallisia reaktioita, faasien hajotusta ja aineensiirtoa. Verrattuna perinteiseen mekaaniseen sekoittamiseen tai kemiallisiin lisäaineisiin hydrodynaaminen kavitaatio on potentiaalisesti energiatehokas ja vähän kemikaaleja käyttävä lähestymistapa jalostamon pullonkaulojen ratkaisemiseen [2]. Hydrodynaaminen kavitaatio voidaan yhdistää katalyytteihin, pinta-aktiivisiin aineisiin, mietoihin hapettimiin (esim, H₂O₂, otsoni) tai UV-säteilytyksen kanssa reaktiotehokkuuden ja puhtaampien käsittelytulosten parantamiseksi entisestään [2].
Mekanistisesti kavitaatio voi aiheuttaa molekyylitason muutoksia hiilivedyissä, mukaan lukien asfalteenin hajoamista, osittaista halkeilua ja reologisten ominaisuuksien muuttumista, jotka parantavat raaka-aineen käsittelyä ja reaktiotehokkuutta [3]. Hydrodynaamisen kavitaation skaalaus teollisiin toimintoihin on haastavaa, koska ei ole olemassa standardoitua menetelmää kavitaation voimakkuuden kvantifioimiseksi eri nesteissä ja koska se vaatii suuria pääoma- ja käyttökustannuksia [1,4]. Laboratorio- ja pilottitutkimuksista saadut todisteet viittaavat siihen, että hydrodynaaminen kavitaatio voi parantaa prosessoitavuutta ja tehokkuutta, vaikka täysimittainen teollinen validointi on vielä vähäistä.
Hydrodynaamisella kavitaatiolla tuetut prosessit voivat tarjota toiminnallisia ja ympäristöön liittyviä hyötyjä, mukaan lukien vähentynyt energiankulutus, parantunut läpimenokyky ja alhaisemmat kasvihuonekaasupäästöt. Ne voivat täydentää tavanomaisia jalostusmenetelmiä, jotka ovat usein energiaintensiivisiä ja rd-reaktorirakenteita. Kavitaatiolukua on ehdotettu systemaattiseksi parametriksi reaktorin suunnittelun optimoimiseksi ja kokeellisten tietojen ja käytännön sovellusten yhdistämiseksi.
2 . Vaikuttavat hydrodynaamisen kavitaation mahdollisuudet
2.1 Raakaöljyn suolanpoisto
Sisällyttämällä hydrodynaaminen kavitaatio suolanpoistolaitteen sisääntuloon voidaan tehostaa öljyn ja veden dispergointia ja suolanpoistoa. Mikroturbulenssi, leikkaus ja paikalliset paineenvaihtelut edistävät stabiilien emulsioiden hajoamista, jolloin syntyy hienoja, tasaisia pisaroita, jotka parantavat veden ja öljyn välistä kosketusta ja nopeuttavat koalesenssiä. Tämä voi johtaa alhaisempaan jäännössuolapitoisuuteen, vähentyneeseen likaantumiseen ja korroosioon sekä parempaan lämmönsiirtokykyyn [2]. Hydrodynaamiset kavitaatioyksiköt voidaan toteuttaa pienikokoisina inline-rakenteisina skideinä, jolloin olemassa olevaan suolanpoistoinfrastruktuuriin tehdään vain vähäisiä muutoksia.
2.2 Viivästetty koksaus (DCU)
Hydrodynaamisen kavitaation soveltaminen tyhjöjäännökseen ennen koksauksen lämmityslaitteita voi parantaa syötteen homogenisointia ja aiheuttaa lieviä esiasteistusvaikutuksia. Leikkaus, mikrosekoitus ja paikallinen lämpömekaaninen aktivointi edistävät osittaista asfalteenin hajoamista ja viskositeetin alenemista, mikä mahdollistaa tasaisemman termisen krakkauksen [5,3]. Pilottimittakaavan tutkimuksissa on raportoitu lämmittimen vakauden parantumisesta, koksin laskeutumisen vähenemisestä ja nestemäisten tuotteiden saannon vaatimattomasta kasvusta, kun hydrodynaaminen kavitaatio on integroitu koksauksen alkupäähän. Sopivan kavitaatiointensiteetin ylläpitäminen on olennaista liiallisen esihapotuksen välttämiseksi erityisesti erittäin aromaattisissa tai epävakaissa syötteissä [1,3]. Hydrodynaamisen kavitaatiojärjestelmän asianmukainen suunnittelu ja käyttöolosuhteiden optimointi ovat siksi ratkaisevan tärkeitä turvallisen ja tehokkaan käyttöönoton kannalta.
2.3 Nestekatalyyttinen krakkausyksikkö (FCCU )
Raskaiden syötteiden esikäsittely (esim, tyhjiökaasuöljy tai -jäännös) hydrodynaamisen kavitaation avulla voi tehostaa syötteen homogenisointia ja hajottaa osittain asfalteeni- ja metallirikkaita aggregaatteja, mikä saattaa alentaa CCR:n muodostumiseen vaikuttavaa tehollista epäpuhtauskuormaa [6]. Kavitaation aikaansaama voimakas leikkaus ja mikrosekoitus voivat myös parantaa dispersiota, aineensiirtoa ja yleistä syötteen reologiaa, mikä voi tukea korkeampaa konversiohyötysuhdetta ja vähentää likaantumistaipumuksia. Nämä vaikutukset on osoitettu pilot-mittakaavassa, mutta toistaiseksi ei ole julkisesti saatavilla tietoja, jotka vahvistaisivat täysimittaisen FCC:n käyttöönoton. Hydrodynaamisen kavitaation integroiminen FCC-yksikön yläpuolelle vaatii huolellista suunnittelua syötteen ruiskutusrajapinnasta, mukaan lukien paine, lämpötila, metallurgia ja yhteensopivuus olemassa olevien esilämmitys- ja syötteen jakelujärjestelmien kanssa.
2.4 Vedynkäsittelykoneet (DHT, CNHT, NHT)
Hydrodynaaminen kavitaatioavusteinen vety-öljyn esisekoitus voi parantaa H₂:n dispergointia ja rajapintakontaktia, mikä voi mahdollisesti parantaa rikinpoistoa, typenpoistoa ja olefiinien kyllästymistä [2,8]. Mikroturbulenssi ja leikkaus lisäävät käytettävissä olevaa rajapinta-alaa ja lieventävät katalyytin tehokkuutta vähentäviä massansiirtorajoituksia. Pilottikokeiden validointia suositellaan kavitaation voimakkuuden, viipymäajan ja moduulien integroinnin optimoimiseksi. Oikein suunnitellut hydrodynaamiset kavitaatiomoduulit - paineluokitellut luistit, joiden materiaalit ovat yhteensopivia prosessiolosuhteiden kanssa - voivat tukea korkeampaa konversiota ohituskertaa kohti ja parantaa katalyytin pitkäikäisyyttä.
2.
2.5 Suihkupolttoaineen kaustinen käsittely (JCTU)
Suihkupolttoaineen kaustisessa käsittelyssä hydrodynaaminen kavitaatio tehostaa kontaktia kaustisen liuoksen ja hiilivetyjen välillä parantaen merkaptaanien uuttoa ja tuotteen vakautta. Mikrosekoittaminen ja suuri rajapinnan uusiutuminen voivat vähentää kaustin kulutusta säilyttäen tai parantaen samalla makeutusominaisuuksia. Inline-hydrodynaamiset kavitaatiojärjestelmät mahdollistavat suoraviivaisen jälkiasennuksen, joka aiheuttaa vain vähän häiriöitä prosessiin.
2.6 Alkylointiyksiköt (H₂SO₄ ALKY)
Hydrodynaaminen kavitaatio voi tehostaa hapon ja hiilivedyn kosketusta alkylointiyksiköissä, mikä edistää tasaisempia reaktio-olosuhteita ja mahdollisesti parantaa oktaanilukua ja tuotteen saantoa [6]. Korkea leikkaus, mikroturbulenssi ja paineen vaihtelut kiihdyttävät happokatalysoituja reaktioita. Toteuttaminen edellyttää tarkkaa materiaalivalintaa, korroosionkestävää suunnittelua ja tiukkoja turvallisuusprotokollia. Pilottimittakaavan validointia suositellaan ennen täysimittaista käyttöönottoa.
2.7 Jäämien parantaminen ja sekoittaminen
Hydrodynaamisella kavitaatiolla voidaan tukea raskaiden jäännösten ja tyhjiöjäännösten sekoittamista ja osittaista parantamista lisäämällä dispergointia, pienentämällä viskositeettiä ja parantamalla polttoaineen yleistä vakautta.
Parannussovellukset
Parannuksessa kavitaatio edistää asfalteenin hajoamista, lievää halkeilua, viskositeetin alenemista, siirtymistä kohti kevyempiä jakeita ja lietteen minimointia [2-4]. Hydrodynaaminen kavitaatioavusteinen jätteen käsittely on osoittautunut pilottimittakaavan toiminnoissa kustannustehokkaammaksi kuin akustinen kavitaatio, ja se voi parantaa bitumin ominaisuuksia, rikinpoistoa ja emulsioiden stabiilisuutta sovelluksissa, kuten FCC:n syöttöaineissa, vetykäsittelylaitteissa ja meripolttoaineissa [4,7,8]. Vaikka suurin osa raportoiduista hyödyistä on peräisin laboratorio- ja pilottimittakaavoista, kavitaation voimakkuuden ja viipymäajan asianmukainen hallinta on kriittinen tekijä turvallisen ja tehokkaan toteutuksen kannalta.
Sekoitussovellukset
Sekoitustoiminnoissa hydrodynaamisella kavitaatiokäsittelyn avulla edistetään hienojakoisten ja vakaiden dispersioiden muodostumista raskaiden öljyjen ja alemman viskositeetin omaavien komponenttien, kuten biodieselin tai pyrolyysiöljyjen, välille. Kavitaation aikana syntyvä suuri leikkaus ja mikroturbulenssi parantavat sekoitettavuutta, vähentävät faasien erottumisalttiutta ja parantavat homogeenisuutta varastoinnin ja käsittelyn aikana.
Riippumattomat testit Bureau Veritasissa ja data-physics-laboratorioissa vahvistivat nämä parannukset. Taulukossa 1 on yhteenveto HFO 380:n ja 20 % biodieselin (FAME) sekoituksen vertailusta perinteisellä käsisekoituksella (HD) ja kavitaatioavusteisella sekoituksella (CF) RAPTECHin CaviFlow®-järjestelmän avulla. Kavitaatioavusteisella menetelmällä saavutettiin mitattavissa olevia parannuksia tiheydessä, viskositeetissa, rikkipitoisuudessa, tuhkapitoisuudessa, sedimenttipitoisuuksissa ja keskimääräisessä stabiilisuusindeksissä (MSI), ja samalla vähennettiin kissan hienoainespitoisuutta. FVTR GmbH:n suorittamissa moottoritesteissä raportoitiin lisäksi, että kavitaatiokäsitellyn HFO-20 %:n FAME-seoksen polttoaineenkulutus väheni vaatimattomasti (~1 %).
Aluksen koosta, toimintaprofiilista ja polttoaineen hinnoittelusta riippuen tällaiset ominaisuuksien parantamiset voivat johtaa merkittäviin toiminnallisiin hyötyihin merenkulkualalla, jossa raskas polttoöljy on edelleen hallitseva energialähde.
Taulukko 1. HFO 380:n ja 20 % biodieselin (FAME) sekoituksen vertailu perinteisellä käsisekoituksella (HD) ja kavitaatioavusteisella sekoituksella (CF).
c 3s5b1r3e5a6k
(1) Raskasöljyt, joiden °API < 22.3 luokitellaan tyypillisesti "raskaaksi polttoöljyksi".
(2) Vaikka leimahduspiste laski, molemmat seokset pysyvät selvästi ISO 8217:n vähimmäisrajojen yläpuolella laivojen jäännöspolttoaineille, mikä takaa turvallisuusmääräysten noudattamisen.
3.
Johtopäätös
Hydrodynaaminen kavitaatio on monipuolinen prosessin tehostamisväline, jolla voidaan ratkaista useita öljynjalostuksen pysyviä haasteita, kuten raaka-aineen heterogeenisuus, massansiirtorajoitukset, likaantuminen ja korkeaviskoosisten jäännösten käsittely. Raakaöljyn suolanpoistossa, termisissä ja katalyyttisissä konversioyksiköissä, kaustisessa käsittelyssä ja alkyloinnissa hydrodynaaminen kavitaatio tarjoaa mahdollisuuksia parantaa dispergointia, reaktion tasaisuutta ja toiminnan vakautta samalla kun se mahdollisesti vähentää energiankulutusta ja ympäristövaikutuksia.
Residuumin jalostuksessa ja kavitaatioavusteisessa sekoittamisessa saadut lupaavat tulokset - erityisesti HFO-FAME-seosten käsittelyn ja vakauden parantuminen - korostavat hydrodynaamisen kavitaation merkitystä, kun sekä jalostus että merenkulun ja bunkkerien polttoainesektorit siirtyvät kohti monipuolisempia ja uusiutuvia polttoainevirtoja. ISO 8217:2024 -standardin [9] käyttöönotto, joka mahdollistaa meriliikenteessä käytettävät polttoaineet, jotka sisältävät jopa 100 % FAMEa, lisää entisestään sellaisten tekniikoiden tarvetta, joilla voidaan stabiloida raskaiden öljyjakeiden seoksia vaihtoehtoisten polttoaineiden kanssa. Hydrodynaamisen kavitaation kyky vähentää viskositeettia, parantaa faasistabiilisuutta ja lieventää sedimentti- ja epäpuhtausongelmia tekee siitä käytännöllisen apuvälineen tässä kehittyvässä maisemassa.
Menestyksekäs teollinen käyttöönotto riippuu seuraavista tekijöistä:
Vaikka nykyiset todisteet ovat pääasiassa pilottimittakaavassa, hydrodynaamisen kavitaation avulla tapahtuva raskasöljyn käsittely ja polttoaineen sekoittaminen osoittavat rohkaisevia tapoja lisätä jalostamoiden tehokkuutta, mahdollistaa vaihtoehtoisten polttoaineiden integrointi ja tukea laajempia hiilidioksidipäästöjen vähentämistä ja kestävyyttä koskevia tavoitteita [4]. Nämä edut ovat suoraan sovellettavissa merenkulku- ja bunkkeripolttoainesektorilla, ja ne parantavat toimintaa, ympäristöä ja polttoaineen laatua.
Author: RAPTECH Eberswalde GmbH
Viitteet
Viimeaikaiset käytännön tulokset - mukaan lukien tähteen sekoittaminen ja jalostus - osoittavat mitattavissa olevia hyötyjä raskaan polttoöljyn sekoittamisessa vaihtoehtoisten polttoaineiden kanssa. Kavitaatioavusteinen HFO:n sekoittaminen 20 %:n FAME:n kanssa on parantanut viskositeettia, tiheyttä, sedimenttipitoisuutta ja stabiilisuusindeksejä sekä vähentänyt kat-hienoainesta ja parantanut hieman polttoaineen kulutusta. Nämä havainnot korostavat hydrodynaamisen kavitaation merkitystä jalostamoprosessien lisäksi myös merenkulun ja bunkkeripolttoainesektorilla, erityisesti ISO 8217:2024 -standardin yhteydessä, joka sallii meriliikenteessä käytettävät polttoaineet, jotka sisältävät jopa 100 % FAMEa. Tulokset heijastavat teollisuuden laajempaa suuntausta kohti vähähiilisiä, uusiutuvia ja vaihtelevampia raaka-aineita.
Kaiken kaikkiaan hydrodynaaminen kavitaatio ja RAPTECHin CaviFlow®-yksiköt tarjoavat lupaavan väylän prosessoitavuuden parantamiseen, energiantarpeen vähentämiseen ja siirtymisen tukemiseen kohti kestävämpiä jalostamo- ja meriliikenteen polttoainejärjestelmiä. Vaikka suurin osa tiedoista on peräisin laboratorio- ja pilottimittakaavan tutkimuksista, uudet demonstraatiot - mukaan lukien jäännösten sekoittaminen ja jalostaminen - korostavat hydrodynaamisen kavitaation mahdollisuuksia käytännön teolliseen käyttöön.
1. JOHDANTOJohdanto
Jalostamoiden muuntoprosessit ovat keskeisiä raakaöljyn muuntamisessa liikennepolttoaineiksi, petrokemian raaka-aineiksi ja korkealaatuisiksi tuotteiksi. Tehokkuutta ja tuotteiden laatua rajoittavat usein raaka-aineiden heterogeenisuus, katalyytin deaktivoituminen, likaantuminen ja aineensiirtorajoitukset. Raskaiden ja erittäin raskaiden raakaöljyjen, jotka muodostavat merkittävän osan hyödynnettävissä olevista maailmanlaajuisista varannoista, lisääntyvä käyttö aiheuttaa lisähaasteita korkean viskositeetin, alhaisen API-painon (< 20°) ja korkean asfalteenipitoisuuden vuoksi [1]. Nämä ominaisuudet haittaavat lämmön- ja aineensiirtoa, kiihdyttävät likaantumista ja lisäävät koksin muodostumista lämpö- ja katalyyttisissä prosesseissa.
Hydrodynaaminen kavitaatio on noussut esiin prosessin tehostamisstrategiana. Se tuottaa kontrolloituja mikrokuplia, paikallisia kuumia pisteitä, äärimmäistä leikkausta ja painegradientteja, jotka voivat tehostaa kemiallisia reaktioita, faasien hajotusta ja aineensiirtoa. Verrattuna perinteiseen mekaaniseen sekoittamiseen tai kemiallisiin lisäaineisiin hydrodynaaminen kavitaatio on potentiaalisesti energiatehokas ja vähän kemikaaleja käyttävä lähestymistapa jalostamon pullonkaulojen ratkaisemiseen [2]. Hydrodynaaminen kavitaatio voidaan yhdistää katalyytteihin, pinta-aktiivisiin aineisiin, mietoihin hapettimiin (esim, H₂O₂, otsoni) tai UV-säteilytyksen kanssa reaktiotehokkuuden ja puhtaampien käsittelytulosten parantamiseksi entisestään [2].
Mekanistisesti kavitaatio voi aiheuttaa molekyylitason muutoksia hiilivedyissä, mukaan lukien asfalteenin hajoamista, osittaista halkeilua ja reologisten ominaisuuksien muuttumista, jotka parantavat raaka-aineen käsittelyä ja reaktiotehokkuutta [3]. Hydrodynaamisen kavitaation skaalaus teollisiin toimintoihin on haastavaa, koska ei ole olemassa standardoitua menetelmää kavitaation voimakkuuden kvantifioimiseksi eri nesteissä ja koska se vaatii suuria pääoma- ja käyttökustannuksia [1,4]. Laboratorio- ja pilottitutkimuksista saadut todisteet viittaavat siihen, että hydrodynaaminen kavitaatio voi parantaa prosessoitavuutta ja tehokkuutta, vaikka täysimittainen teollinen validointi on vielä vähäistä.
Hydrodynaamisella kavitaatiolla tuetut prosessit voivat tarjota toiminnallisia ja ympäristöön liittyviä hyötyjä, mukaan lukien vähentynyt energiankulutus, parantunut läpimenokyky ja alhaisemmat kasvihuonekaasupäästöt. Ne voivat täydentää tavanomaisia jalostusmenetelmiä, jotka ovat usein energiaintensiivisiä ja rd-reaktorirakenteita. Kavitaatiolukua on ehdotettu systemaattiseksi parametriksi reaktorin suunnittelun optimoimiseksi ja kokeellisten tietojen ja käytännön sovellusten yhdistämiseksi.
2 . Vaikuttavat hydrodynaamisen kavitaation mahdollisuudet
2.1 Raakaöljyn suolanpoisto
Sisällyttämällä hydrodynaaminen kavitaatio suolanpoistolaitteen sisääntuloon voidaan tehostaa öljyn ja veden dispergointia ja suolanpoistoa. Mikroturbulenssi, leikkaus ja paikalliset paineenvaihtelut edistävät stabiilien emulsioiden hajoamista, jolloin syntyy hienoja, tasaisia pisaroita, jotka parantavat veden ja öljyn välistä kosketusta ja nopeuttavat koalesenssiä. Tämä voi johtaa alhaisempaan jäännössuolapitoisuuteen, vähentyneeseen likaantumiseen ja korroosioon sekä parempaan lämmönsiirtokykyyn [2]. Hydrodynaamiset kavitaatioyksiköt voidaan toteuttaa pienikokoisina inline-rakenteisina skideinä, jolloin olemassa olevaan suolanpoistoinfrastruktuuriin tehdään vain vähäisiä muutoksia.
2.2 Viivästetty koksaus (DCU)
Hydrodynaamisen kavitaation soveltaminen tyhjöjäännökseen ennen koksauksen lämmityslaitteita voi parantaa syötteen homogenisointia ja aiheuttaa lieviä esiasteistusvaikutuksia. Leikkaus, mikrosekoitus ja paikallinen lämpömekaaninen aktivointi edistävät osittaista asfalteenin hajoamista ja viskositeetin alenemista, mikä mahdollistaa tasaisemman termisen krakkauksen [5,3]. Pilottimittakaavan tutkimuksissa on raportoitu lämmittimen vakauden parantumisesta, koksin laskeutumisen vähenemisestä ja nestemäisten tuotteiden saannon vaatimattomasta kasvusta, kun hydrodynaaminen kavitaatio on integroitu koksauksen alkupäähän. Sopivan kavitaatiointensiteetin ylläpitäminen on olennaista liiallisen esihapotuksen välttämiseksi erityisesti erittäin aromaattisissa tai epävakaissa syötteissä [1,3]. Hydrodynaamisen kavitaatiojärjestelmän asianmukainen suunnittelu ja käyttöolosuhteiden optimointi ovat siksi ratkaisevan tärkeitä turvallisen ja tehokkaan käyttöönoton kannalta.
2.3 Nestekatalyyttinen krakkausyksikkö (FCCU )
Raskaiden syötteiden esikäsittely (esim, tyhjiökaasuöljy tai -jäännös) hydrodynaamisen kavitaation avulla voi tehostaa syötteen homogenisointia ja hajottaa osittain asfalteeni- ja metallirikkaita aggregaatteja, mikä saattaa alentaa CCR:n muodostumiseen vaikuttavaa tehollista epäpuhtauskuormaa [6]. Kavitaation aikaansaama voimakas leikkaus ja mikrosekoitus voivat myös parantaa dispersiota, aineensiirtoa ja yleistä syötteen reologiaa, mikä voi tukea korkeampaa konversiohyötysuhdetta ja vähentää likaantumistaipumuksia. Nämä vaikutukset on osoitettu pilot-mittakaavassa, mutta toistaiseksi ei ole julkisesti saatavilla tietoja, jotka vahvistaisivat täysimittaisen FCC:n käyttöönoton. Hydrodynaamisen kavitaation integroiminen FCC-yksikön yläpuolelle vaatii huolellista suunnittelua syötteen ruiskutusrajapinnasta, mukaan lukien paine, lämpötila, metallurgia ja yhteensopivuus olemassa olevien esilämmitys- ja syötteen jakelujärjestelmien kanssa.
2.4 Vedynkäsittelykoneet (DHT, CNHT, NHT)
Hydrodynaaminen kavitaatioavusteinen vety-öljyn esisekoitus voi parantaa H₂:n dispergointia ja rajapintakontaktia, mikä voi mahdollisesti parantaa rikinpoistoa, typenpoistoa ja olefiinien kyllästymistä [2,8]. Mikroturbulenssi ja leikkaus lisäävät käytettävissä olevaa rajapinta-alaa ja lieventävät katalyytin tehokkuutta vähentäviä massansiirtorajoituksia. Pilottikokeiden validointia suositellaan kavitaation voimakkuuden, viipymäajan ja moduulien integroinnin optimoimiseksi. Oikein suunnitellut hydrodynaamiset kavitaatiomoduulit - paineluokitellut luistit, joiden materiaalit ovat yhteensopivia prosessiolosuhteiden kanssa - voivat tukea korkeampaa konversiota ohituskertaa kohti ja parantaa katalyytin pitkäikäisyyttä.
2.
2.5 Suihkupolttoaineen kaustinen käsittely (JCTU)
Suihkupolttoaineen kaustisessa käsittelyssä hydrodynaaminen kavitaatio tehostaa kontaktia kaustisen liuoksen ja hiilivetyjen välillä parantaen merkaptaanien uuttoa ja tuotteen vakautta. Mikrosekoittaminen ja suuri rajapinnan uusiutuminen voivat vähentää kaustin kulutusta säilyttäen tai parantaen samalla makeutusominaisuuksia. Inline-hydrodynaamiset kavitaatiojärjestelmät mahdollistavat suoraviivaisen jälkiasennuksen, joka aiheuttaa vain vähän häiriöitä prosessiin.
2.6 Alkylointiyksiköt (H₂SO₄ ALKY)
Hydrodynaaminen kavitaatio voi tehostaa hapon ja hiilivedyn kosketusta alkylointiyksiköissä, mikä edistää tasaisempia reaktio-olosuhteita ja mahdollisesti parantaa oktaanilukua ja tuotteen saantoa [6]. Korkea leikkaus, mikroturbulenssi ja paineen vaihtelut kiihdyttävät happokatalysoituja reaktioita. Toteuttaminen edellyttää tarkkaa materiaalivalintaa, korroosionkestävää suunnittelua ja tiukkoja turvallisuusprotokollia. Pilottimittakaavan validointia suositellaan ennen täysimittaista käyttöönottoa.
2.7 Jäämien parantaminen ja sekoittaminen
Hydrodynaamisella kavitaatiolla voidaan tukea raskaiden jäännösten ja tyhjiöjäännösten sekoittamista ja osittaista parantamista lisäämällä dispergointia, pienentämällä viskositeettiä ja parantamalla polttoaineen yleistä vakautta.
Parannussovellukset
Parannuksessa kavitaatio edistää asfalteenin hajoamista, lievää halkeilua, viskositeetin alenemista, siirtymistä kohti kevyempiä jakeita ja lietteen minimointia [2-4]. Hydrodynaaminen kavitaatioavusteinen jätteen käsittely on osoittautunut pilottimittakaavan toiminnoissa kustannustehokkaammaksi kuin akustinen kavitaatio, ja se voi parantaa bitumin ominaisuuksia, rikinpoistoa ja emulsioiden stabiilisuutta sovelluksissa, kuten FCC:n syöttöaineissa, vetykäsittelylaitteissa ja meripolttoaineissa [4,7,8]. Vaikka suurin osa raportoiduista hyödyistä on peräisin laboratorio- ja pilottimittakaavoista, kavitaation voimakkuuden ja viipymäajan asianmukainen hallinta on kriittinen tekijä turvallisen ja tehokkaan toteutuksen kannalta.
Sekoitussovellukset
Sekoitustoiminnoissa hydrodynaamisella kavitaatiokäsittelyn avulla edistetään hienojakoisten ja vakaiden dispersioiden muodostumista raskaiden öljyjen ja alemman viskositeetin omaavien komponenttien, kuten biodieselin tai pyrolyysiöljyjen, välille. Kavitaation aikana syntyvä suuri leikkaus ja mikroturbulenssi parantavat sekoitettavuutta, vähentävät faasien erottumisalttiutta ja parantavat homogeenisuutta varastoinnin ja käsittelyn aikana.
Riippumattomat testit Bureau Veritasissa ja data-physics-laboratorioissa vahvistivat nämä parannukset. Taulukossa 1 on yhteenveto HFO 380:n ja 20 % biodieselin (FAME) sekoituksen vertailusta perinteisellä käsisekoituksella (HD) ja kavitaatioavusteisella sekoituksella (CF) RAPTECHin CaviFlow®-järjestelmän avulla. Kavitaatioavusteisella menetelmällä saavutettiin mitattavissa olevia parannuksia tiheydessä, viskositeetissa, rikkipitoisuudessa, tuhkapitoisuudessa, sedimenttipitoisuuksissa ja keskimääräisessä stabiilisuusindeksissä (MSI), ja samalla vähennettiin kissan hienoainespitoisuutta. FVTR GmbH:n suorittamissa moottoritesteissä raportoitiin lisäksi, että kavitaatiokäsitellyn HFO-20 %:n FAME-seoksen polttoaineenkulutus väheni vaatimattomasti (~1 %).
Aluksen koosta, toimintaprofiilista ja polttoaineen hinnoittelusta riippuen tällaiset ominaisuuksien parantamiset voivat johtaa merkittäviin toiminnallisiin hyötyihin merenkulkualalla, jossa raskas polttoöljy on edelleen hallitseva energialähde.
Taulukko 1. HFO 380:n ja 20 % biodieselin (FAME) sekoituksen vertailu perinteisellä käsisekoituksella (HD) ja kavitaatioavusteisella sekoituksella (CF).
c 3s5b1r3e5a6k
| Parametri | Yksikkö | Sekoittaminen (HD) | Sekoittaminen (CF) | Parannus (%) |
|---|---|---|---|---|
| Tiheys 50 °C:ssa | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Kinemaattinen viskositeetti 50 °C:ssa | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Rikkipitoisuus | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Tuhka Sisältö | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Pour Point | °C | -15 | -15 | 0 |
| Leimahduspiste (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Sedimentin kokonaispotentiaali | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Sedimentti yhteensä Olemassa | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Keskimääräinen vakausindeksi (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Kissojen sakot (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Raskasöljyt, joiden °API < 22.3 luokitellaan tyypillisesti "raskaaksi polttoöljyksi".
(2) Vaikka leimahduspiste laski, molemmat seokset pysyvät selvästi ISO 8217:n vähimmäisrajojen yläpuolella laivojen jäännöspolttoaineille, mikä takaa turvallisuusmääräysten noudattamisen.
3.
Johtopäätös
Hydrodynaaminen kavitaatio on monipuolinen prosessin tehostamisväline, jolla voidaan ratkaista useita öljynjalostuksen pysyviä haasteita, kuten raaka-aineen heterogeenisuus, massansiirtorajoitukset, likaantuminen ja korkeaviskoosisten jäännösten käsittely. Raakaöljyn suolanpoistossa, termisissä ja katalyyttisissä konversioyksiköissä, kaustisessa käsittelyssä ja alkyloinnissa hydrodynaaminen kavitaatio tarjoaa mahdollisuuksia parantaa dispergointia, reaktion tasaisuutta ja toiminnan vakautta samalla kun se mahdollisesti vähentää energiankulutusta ja ympäristövaikutuksia.
Residuumin jalostuksessa ja kavitaatioavusteisessa sekoittamisessa saadut lupaavat tulokset - erityisesti HFO-FAME-seosten käsittelyn ja vakauden parantuminen - korostavat hydrodynaamisen kavitaation merkitystä, kun sekä jalostus että merenkulun ja bunkkerien polttoainesektorit siirtyvät kohti monipuolisempia ja uusiutuvia polttoainevirtoja. ISO 8217:2024 -standardin [9] käyttöönotto, joka mahdollistaa meriliikenteessä käytettävät polttoaineet, jotka sisältävät jopa 100 % FAMEa, lisää entisestään sellaisten tekniikoiden tarvetta, joilla voidaan stabiloida raskaiden öljyjakeiden seoksia vaihtoehtoisten polttoaineiden kanssa. Hydrodynaamisen kavitaation kyky vähentää viskositeettia, parantaa faasistabiilisuutta ja lieventää sedimentti- ja epäpuhtausongelmia tekee siitä käytännöllisen apuvälineen tässä kehittyvässä maisemassa.
Menestyksekäs teollinen käyttöönotto riippuu seuraavista tekijöistä:
- Kavitaation voimakkuuden tarkka säätö tehokkuuden parantamisen ja laitteiden eheyden tasapainottamiseksi.
- Yhteensopivuuden varmistaminen korkean lämpötilan, syövyttävien tai korkeaviskositeettisten prosessivirtojen kanssa.
- HC-moduulien integrointi olemassa oleviin jalostamokokoonpanoihin häiritsemättä kriittistä prosessinohjausta.
Vaikka nykyiset todisteet ovat pääasiassa pilottimittakaavassa, hydrodynaamisen kavitaation avulla tapahtuva raskasöljyn käsittely ja polttoaineen sekoittaminen osoittavat rohkaisevia tapoja lisätä jalostamoiden tehokkuutta, mahdollistaa vaihtoehtoisten polttoaineiden integrointi ja tukea laajempia hiilidioksidipäästöjen vähentämistä ja kestävyyttä koskevia tavoitteita [4]. Nämä edut ovat suoraan sovellettavissa merenkulku- ja bunkkeripolttoainesektorilla, ja ne parantavat toimintaa, ympäristöä ja polttoaineen laatua.
Author: RAPTECH Eberswalde GmbH
Viitteet
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Raskaan öljyn jalostaminen: Tulevaisuuden polttoainehuollon avaaminen. 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. Kokeellinen tutkimus raskasöljyn viskositeetin alentamisesta vetyluovuttajien avulla kavitointisuihkua käyttäen. RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Kavitaation soveltaminen öljynkäsittelyssä: An Overview of Mechanisms and Results of Treatment. ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. Raskaan öljyn eri jalostustekniikoiden järjestelmällinen vertailu. 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: Katsaus keskeisiin perusteisiin, puuttuviin prosessitietoihin ja taloudelliseen toteutettavuuteen. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- CIMACin polttoainetyöryhmä. CIMAC:n suuntaviivat: FAMEa sisältävät meriliikenteen polttoaineet - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024.
