La cavitation hydrodynamique est une technologie émergente d'intensification des procédés, économe en énergie et susceptible d'améliorer l'efficacité, le rendement et la durabilité des principales opérations de raffinage. En générant un cisaillement contrôlé à micro-échelle, des turbulences et des effets thermo-mécaniques localisés - au sein des unités CaviFlow® de RAPTECH - la cavitation hydrodynamique peut améliorer le mélange, le transfert de masse et de chaleur, la cinétique des réactions et le conditionnement des matières premières. Cette étude évalue les possibilités d'intégration de la cavitation hydrodynamique dans le dessalage du brut, la cokéfaction retardée, le craquage catalytique fluide, l'hydrotraitement, l'alkylation et la valorisation des résidus, en mettant l'accent sur la compréhension des mécanismes, la configuration des équipements et les contraintes opérationnelles.
Des résultats pratiques récents - y compris le mélange et la valorisation des résidus - démontrent des avantages mesurables dans le mélange de fioul lourd avec des carburants alternatifs. Le mélange assisté par cavitation de HFO avec 20 % d'EMAG a permis d'améliorer la viscosité, la densité, la teneur en sédiments et les indices de stabilité, ainsi que de réduire les cat-fines et d'améliorer légèrement la consommation de carburant. Ces résultats soulignent la pertinence de la cavitation hydrodynamique non seulement pour les processus de raffinage, mais aussi pour le secteur des carburants maritimes et de soute, en particulier dans le contexte de la norme ISO 8217:2024, qui autorise les carburants marins contenant jusqu'à 100 % d'EMAG. Les résultats reflètent une tendance plus large de l'industrie vers des matières premières à faible teneur en carbone, renouvelables et plus variables.
Dans l'ensemble, la cavitation hydrodynamique et les unités CaviFlow® de RAPTECH représentent une voie prometteuse pour améliorer l'aptitude au traitement, réduire les besoins en énergie et soutenir la transition vers des systèmes de raffinage et de carburants marins plus durables. Bien que la plupart des données proviennent d'études en laboratoire et à l'échelle pilote, les démonstrations émergentes - y compris le mélange et la valorisation des résidus - soulignent le potentiel de la cavitation hydrodynamique pour un déploiement industriel pratique.
1. Introduction
Les procédés de conversion des raffineries sont essentiels pour transformer le pétrole brut en carburants de transport, en matières premières pétrochimiques et en produits de grande valeur. L'efficacité et la qualité des produits sont souvent limitées par l'hétérogénéité des matières premières, la désactivation des catalyseurs, l'encrassement et les contraintes de transfert de masse. L'utilisation croissante de pétroles bruts lourds et extra-lourds, qui constituent une part importante des réserves mondiales récupérables, présente des défis supplémentaires en raison de leur viscosité élevée, de leur faible densité API (<20°) et de leur teneur élevée en asphaltènes [1]. Ces propriétés entravent le transfert de chaleur et de masse, accélèrent l'encrassement et augmentent la formation de coke dans les processus thermiques et catalytiques.
La cavitation hydrodynamique est apparue comme une stratégie prometteuse d'intensification des processus. Elle génère des microbulles contrôlées, des points chauds localisés, un cisaillement extrême et des gradients de pression qui peuvent améliorer les réactions chimiques, la dispersion des phases et le transfert de masse. Comparée au mélange mécanique conventionnel ou aux additifs chimiques, la cavitation hydrodynamique représente une approche potentiellement efficace sur le plan énergétique et peu chimique pour remédier aux goulets d'étranglement dans les raffineries [2]. La cavitation hydrodynamique peut être combinée avec des catalyseurs, des surfactants, des oxydants doux (par ex, H₂O₂, ozone) ou l'irradiation UV pour améliorer encore l'efficacité de la réaction et obtenir des résultats de traitement plus propres [2].
Mécaniquement, la cavitation peut induire des modifications au niveau moléculaire dans les hydrocarbures, y compris la désagrégation des asphaltènes, la fissuration partielle et les changements de propriétés rhéologiques, qui améliorent la manipulation des matières premières et l'efficacité de la réaction [3]. La mise à l'échelle de la cavitation hydrodynamique dans les opérations industrielles est difficile en raison de l'absence d'une méthode normalisée pour quantifier l'intensité de la cavitation dans différents fluides et nécessite des coûts d'investissement et d'exploitation élevés [1,4]. Des études de laboratoire et des études pilotes suggèrent que la cavitation hydrodynamique peut améliorer la processabilité et l'efficacité, bien que la validation industrielle à grande échelle reste limitée.
Les procédés assistés par la cavitation hydrodynamique peuvent offrir des avantages opérationnels et environnementaux, notamment une réduction de la consommation d'énergie, une augmentation du débit et une diminution des émissions de gaz à effet de serre. Ils peuvent compléter les méthodes de valorisation conventionnelles, qui sont souvent gourmandes en énergie et en conception de réacteurs. Le nombre de cavitation a été proposé comme paramètre systématique pour optimiser la conception des réacteurs et rapprocher les données expérimentales des applications pratiques.
2. Opportunités de cavitation hydrodynamique à fort impact
2.1 Dessalement du brut (CDU )
L'intégration de la cavitation hydrodynamique à l'entrée du dessaloir peut améliorer la dispersion huile-eau et l'élimination des sels. Les micro-turbulences, le cisaillement et les fluctuations de pression localisées favorisent la rupture des émulsions stables, générant des gouttelettes fines et uniformes qui améliorent le contact entre l'eau et l'huile et accélèrent la coalescence. Il peut en résulter une teneur en sel résiduel plus faible, une réduction de l'encrassement et de la corrosion, ainsi qu'une amélioration des performances en matière d'échange thermique [2]. Les unités de cavitation hydrodynamique peuvent être mises en œuvre sous forme de skids compacts en ligne avec des modifications minimales de l'infrastructure de dessalement existante.
2.2 Cokéfaction retardée (DCU)
L'application de la cavitation hydrodynamique aux résidus sous vide avant les réchauffeurs de cokéfaction peut améliorer l'homogénéisation de l'alimentation et induire de légers effets de pré-amélioration. Le cisaillement, le micro-mélange et l'activation thermo-mécanique localisée favorisent la désagrégation partielle des asphaltènes et la réduction de la viscosité, ce qui permet un craquage thermique plus uniforme [5,3]. Des études pilotes ont fait état d'une amélioration de la stabilité des réchauffeurs, d'une réduction du dépôt de coke et d'une augmentation modeste des rendements en produits liquides lorsque la cavitation hydrodynamique est intégrée en amont de l'unité de cokéfaction. Le maintien d'une intensité de cavitation appropriée est essentiel pour éviter une préfissuration excessive, en particulier dans les charges hautement aromatiques ou instables [1,3]. Une bonne conception du système de cavitation hydrodynamique et l'optimisation des conditions de fonctionnement sont donc essentielles pour une mise en œuvre sûre et efficace.
2.3 Unité de craquage catalytique fluide (FCCU)
Préconditionnement des charges lourdes (par exemple, gazole sous vide ou résidus) via un système de cavitation hydrodynamique, gazole sous vide ou résidus) par cavitation hydrodynamique peut améliorer l'homogénéisation de l'alimentation et perturber partiellement les agrégats riches en asphaltène et en métal, ce qui peut réduire la charge effective de contaminants contribuant à la formation de CCR [6]. Le cisaillement intense et le micro-mélange générés par la cavitation peuvent également améliorer la dispersion, le transfert de masse et la rhéologie globale de l'alimentation, ce qui peut favoriser une plus grande efficacité de conversion et réduire les tendances à l'encrassement. Ces effets ont été démontrés à l'échelle pilote, mais aucune donnée publique ne confirme la mise en œuvre de la FCC à grande échelle à ce jour. L'intégration de la cavitation hydrodynamique en amont d'une unité de FCC nécessite une ingénierie minutieuse de l'interface d'injection de l'alimentation, y compris la pression, la température, la métallurgie et la compatibilité avec les systèmes de préchauffage et de distribution de l'alimentation existants.
2.4 Hydrotraiteurs (DHT, CNHT, NHT)
Hydrodynamique Le prémélange hydrogène-huile assisté par cavitation peut améliorer la dispersion du H₂ et le contact interfacial, ce qui peut améliorer la désulfuration, l'élimination de l'azote et la saturation des oléfines [2,8]. La micro-turbulence et le cisaillement augmentent la surface interfaciale disponible, atténuant les limitations du transfert de masse qui réduisent l'efficacité du catalyseur. Il est recommandé de procéder à une validation pilote afin d'optimiser la gravité de la cavitation, le temps de séjour et l'intégration des modules. Des modules de cavitation hydrodynamique bien conçus - des patins à pression avec des matériaux compatibles avec les conditions du procédé - peuvent permettre une conversion plus élevée par passage et une meilleure longévité du catalyseur.
2.5 Traitement caustique du carburéacteur (JCTU)
Dans le traitement caustique du carburéacteur, la cavitation hydrodynamique intensifie le contact entre la solution caustique et les hydrocarbures, ce qui améliore l'extraction des mercaptans et la stabilité du produit. Le micro-mélange et le renouvellement interfacial élevé peuvent réduire la consommation de caustique tout en maintenant ou en améliorant les performances d'édulcoration. Les systèmes de cavitation hydrodynamique en ligne permettent une mise à niveau directe avec une perturbation minimale du processus.
2.6 Unités d' alkylation(H₂SO₄ ALKY)
La cavitation hydrodynamique peut améliorer le contact acide-hydrocarbure dans les unités d'alkylation, favorisant des conditions de réaction plus uniformes et améliorant potentiellement l'indice d'octane et le rendement du produit [6]. Le cisaillement élevé, les micro-turbulences et les fluctuations de pression accélèrent les réactions catalysées par l'acide. La mise en œuvre nécessite une sélection rigoureuse des matériaux, une conception résistante à la corrosion et des protocoles de sécurité stricts. La validation à l'échelle pilote est recommandée avant l'adoption à grande échelle.
2.7 Valorisation et mélange des résidus
La cavitation hydrodynamique peut contribuer au mélange et à la valorisation partielle des résidus lourds et des résidus sous vide en améliorant la dispersion, en réduisant la viscosité et en améliorant la stabilité globale du combustible.
Applications de valorisation
Pour la valorisation, la cavitation favorise la désagrégation des asphaltènes, un léger craquage, une réduction de la viscosité, un passage à des fractions plus légères et une minimisation des boues [2-4]. Le traitement des résidus par cavitation hydrodynamique s'est avéré plus rentable que la cavitation acoustique pour les opérations à l'échelle pilote et peut améliorer les propriétés du bitume, la désulfuration et la stabilité de l'émulsion dans des applications telles que les charges d'alimentation du FCC, les hydrotraiteurs et les carburants marins [4,7,8]. Bien que la plupart des avantages rapportés proviennent de laboratoires et d'échelles pilotes, un contrôle approprié de l'intensité de la cavitation et du temps de séjour est essentiel pour une mise en œuvre sûre et efficace.
Applications de mélange
Dans les opérations de mélange, la cavitation hydrodynamique favorise la formation de dispersions fines et stables entre les huiles lourdes et les composants de faible viscosité tels que le biodiesel ou les huiles de pyrolyse. Le cisaillement élevé et les micro-turbulences générés pendant la cavitation améliorent la miscibilité, réduisent la propension à la séparation des phases et renforcent l'homogénéité pendant le stockage et la manutention.
Des tests indépendants réalisés par Bureau Veritas et des laboratoires de physique des données ont confirmé ces améliorations. Le tableau 1 résume une comparaison du HFO 380 mélangé à 20 % de biodiesel (FAME) en utilisant le mélange manuel conventionnel (HD) et le mélange assisté par cavitation (CF) avec le système CaviFlow® de RAPTECH. La méthode assistée par cavitation a produit des améliorations mesurables de la densité, de la viscosité, de la teneur en soufre, de la teneur en cendres, des niveaux de sédiments et de l'indice de stabilité moyen (MSI), tout en réduisant la concentration de cat-fines. Les essais sur les moteurs effectués par FVTR GmbH ont en outre révélé une réduction modeste (~1%) de la consommation de carburant pour le mélange HFO-20% FAME traité par cavitation.
En fonction de la taille du navire, du profil opérationnel et du prix du carburant, ces améliorations des propriétés peuvent se traduire par des avantages opérationnels significatifs dans le secteur maritime, où le fioul lourd reste une source d'énergie dominante.
Tableau 1. Comparaison du HFO 380 mélangé à 20 % de biodiesel (FAME) par mélange manuel conventionnel (HD) et par mélange assisté par cavitation (CF).
(1) Les huiles lourdes ayant un °API < 22.3 sont généralement classées comme "fioul lourd".
(2) Bien que le point d'éclair ait diminué, les deux mélanges restent bien au-dessus des limites minimales de la norme ISO 8217 pour les combustibles marins résiduels, ce qui garantit la conformité avec les règles de sécurité.
3. Conclusion
La cavitation hydrodynamique est un outil polyvalent d'intensification des procédés capable de relever plusieurs défis persistants dans le raffinage du pétrole, notamment l'hétérogénéité des matières premières, les limitations du transfert de masse, l'encrassement et le traitement des résidus à haute viscosité. Dans les unités de dessalement du brut, de conversion thermique et catalytique, de traitement caustique et d'alkylation, la cavitation hydrodynamique permet d'améliorer la dispersion, l'uniformité des réactions et la stabilité des opérations, tout en réduisant potentiellement la consommation d'énergie et l'impact sur l'environnement.
Les résultats prometteurs obtenus pour la valorisation des résidus et le mélange assisté par cavitation - en particulier l'amélioration de la manipulation et de la stabilité des mélanges HFO-FAME - soulignent la pertinence de la cavitation hydrodynamique à mesure que les secteurs du raffinage et des carburants maritimes et de soute évoluent vers des flux de carburants plus diversifiés et renouvelables. L'introduction de la norme ISO 8217:2024 [9], qui autorise les carburants marins contenant jusqu'à 100 % d'EMAG, amplifie encore le besoin de technologies capables de stabiliser les mélanges de fractions pétrolières lourdes avec des carburants alternatifs. La capacité de la cavitation hydrodynamique à réduire la viscosité, à améliorer la stabilité des phases et à atténuer les problèmes liés aux sédiments et aux contaminants en fait un outil pratique dans ce paysage en évolution.
L'adoption industrielle réussie dépendra de :
Bien que les données actuelles soient essentiellement à l'échelle pilote, le traitement du pétrole lourd et le mélange de carburants assistés par la cavitation hydrodynamique constituent des voies encourageantes pour accroître l'efficacité des raffineries, permettre l'intégration de carburants alternatifs et soutenir des objectifs plus larges de décarbonisation et de développement durable [4]. Ces avantages sont directement applicables au secteur des carburants maritimes et de soute, car ils permettent d'améliorer les opérations, l'environnement et la qualité des carburants.
Auteur : Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Références
Des résultats pratiques récents - y compris le mélange et la valorisation des résidus - démontrent des avantages mesurables dans le mélange de fioul lourd avec des carburants alternatifs. Le mélange assisté par cavitation de HFO avec 20 % d'EMAG a permis d'améliorer la viscosité, la densité, la teneur en sédiments et les indices de stabilité, ainsi que de réduire les cat-fines et d'améliorer légèrement la consommation de carburant. Ces résultats soulignent la pertinence de la cavitation hydrodynamique non seulement pour les processus de raffinage, mais aussi pour le secteur des carburants maritimes et de soute, en particulier dans le contexte de la norme ISO 8217:2024, qui autorise les carburants marins contenant jusqu'à 100 % d'EMAG. Les résultats reflètent une tendance plus large de l'industrie vers des matières premières à faible teneur en carbone, renouvelables et plus variables.
Dans l'ensemble, la cavitation hydrodynamique et les unités CaviFlow® de RAPTECH représentent une voie prometteuse pour améliorer l'aptitude au traitement, réduire les besoins en énergie et soutenir la transition vers des systèmes de raffinage et de carburants marins plus durables. Bien que la plupart des données proviennent d'études en laboratoire et à l'échelle pilote, les démonstrations émergentes - y compris le mélange et la valorisation des résidus - soulignent le potentiel de la cavitation hydrodynamique pour un déploiement industriel pratique.
1. Introduction
Les procédés de conversion des raffineries sont essentiels pour transformer le pétrole brut en carburants de transport, en matières premières pétrochimiques et en produits de grande valeur. L'efficacité et la qualité des produits sont souvent limitées par l'hétérogénéité des matières premières, la désactivation des catalyseurs, l'encrassement et les contraintes de transfert de masse. L'utilisation croissante de pétroles bruts lourds et extra-lourds, qui constituent une part importante des réserves mondiales récupérables, présente des défis supplémentaires en raison de leur viscosité élevée, de leur faible densité API (<20°) et de leur teneur élevée en asphaltènes [1]. Ces propriétés entravent le transfert de chaleur et de masse, accélèrent l'encrassement et augmentent la formation de coke dans les processus thermiques et catalytiques.
La cavitation hydrodynamique est apparue comme une stratégie prometteuse d'intensification des processus. Elle génère des microbulles contrôlées, des points chauds localisés, un cisaillement extrême et des gradients de pression qui peuvent améliorer les réactions chimiques, la dispersion des phases et le transfert de masse. Comparée au mélange mécanique conventionnel ou aux additifs chimiques, la cavitation hydrodynamique représente une approche potentiellement efficace sur le plan énergétique et peu chimique pour remédier aux goulets d'étranglement dans les raffineries [2]. La cavitation hydrodynamique peut être combinée avec des catalyseurs, des surfactants, des oxydants doux (par ex, H₂O₂, ozone) ou l'irradiation UV pour améliorer encore l'efficacité de la réaction et obtenir des résultats de traitement plus propres [2].
Mécaniquement, la cavitation peut induire des modifications au niveau moléculaire dans les hydrocarbures, y compris la désagrégation des asphaltènes, la fissuration partielle et les changements de propriétés rhéologiques, qui améliorent la manipulation des matières premières et l'efficacité de la réaction [3]. La mise à l'échelle de la cavitation hydrodynamique dans les opérations industrielles est difficile en raison de l'absence d'une méthode normalisée pour quantifier l'intensité de la cavitation dans différents fluides et nécessite des coûts d'investissement et d'exploitation élevés [1,4]. Des études de laboratoire et des études pilotes suggèrent que la cavitation hydrodynamique peut améliorer la processabilité et l'efficacité, bien que la validation industrielle à grande échelle reste limitée.
Les procédés assistés par la cavitation hydrodynamique peuvent offrir des avantages opérationnels et environnementaux, notamment une réduction de la consommation d'énergie, une augmentation du débit et une diminution des émissions de gaz à effet de serre. Ils peuvent compléter les méthodes de valorisation conventionnelles, qui sont souvent gourmandes en énergie et en conception de réacteurs. Le nombre de cavitation a été proposé comme paramètre systématique pour optimiser la conception des réacteurs et rapprocher les données expérimentales des applications pratiques.
2. Opportunités de cavitation hydrodynamique à fort impact
2.1 Dessalement du brut (CDU )
L'intégration de la cavitation hydrodynamique à l'entrée du dessaloir peut améliorer la dispersion huile-eau et l'élimination des sels. Les micro-turbulences, le cisaillement et les fluctuations de pression localisées favorisent la rupture des émulsions stables, générant des gouttelettes fines et uniformes qui améliorent le contact entre l'eau et l'huile et accélèrent la coalescence. Il peut en résulter une teneur en sel résiduel plus faible, une réduction de l'encrassement et de la corrosion, ainsi qu'une amélioration des performances en matière d'échange thermique [2]. Les unités de cavitation hydrodynamique peuvent être mises en œuvre sous forme de skids compacts en ligne avec des modifications minimales de l'infrastructure de dessalement existante.
2.2 Cokéfaction retardée (DCU)
L'application de la cavitation hydrodynamique aux résidus sous vide avant les réchauffeurs de cokéfaction peut améliorer l'homogénéisation de l'alimentation et induire de légers effets de pré-amélioration. Le cisaillement, le micro-mélange et l'activation thermo-mécanique localisée favorisent la désagrégation partielle des asphaltènes et la réduction de la viscosité, ce qui permet un craquage thermique plus uniforme [5,3]. Des études pilotes ont fait état d'une amélioration de la stabilité des réchauffeurs, d'une réduction du dépôt de coke et d'une augmentation modeste des rendements en produits liquides lorsque la cavitation hydrodynamique est intégrée en amont de l'unité de cokéfaction. Le maintien d'une intensité de cavitation appropriée est essentiel pour éviter une préfissuration excessive, en particulier dans les charges hautement aromatiques ou instables [1,3]. Une bonne conception du système de cavitation hydrodynamique et l'optimisation des conditions de fonctionnement sont donc essentielles pour une mise en œuvre sûre et efficace.
2.3 Unité de craquage catalytique fluide (FCCU)
Préconditionnement des charges lourdes (par exemple, gazole sous vide ou résidus) via un système de cavitation hydrodynamique, gazole sous vide ou résidus) par cavitation hydrodynamique peut améliorer l'homogénéisation de l'alimentation et perturber partiellement les agrégats riches en asphaltène et en métal, ce qui peut réduire la charge effective de contaminants contribuant à la formation de CCR [6]. Le cisaillement intense et le micro-mélange générés par la cavitation peuvent également améliorer la dispersion, le transfert de masse et la rhéologie globale de l'alimentation, ce qui peut favoriser une plus grande efficacité de conversion et réduire les tendances à l'encrassement. Ces effets ont été démontrés à l'échelle pilote, mais aucune donnée publique ne confirme la mise en œuvre de la FCC à grande échelle à ce jour. L'intégration de la cavitation hydrodynamique en amont d'une unité de FCC nécessite une ingénierie minutieuse de l'interface d'injection de l'alimentation, y compris la pression, la température, la métallurgie et la compatibilité avec les systèmes de préchauffage et de distribution de l'alimentation existants.
2.4 Hydrotraiteurs (DHT, CNHT, NHT)
Hydrodynamique Le prémélange hydrogène-huile assisté par cavitation peut améliorer la dispersion du H₂ et le contact interfacial, ce qui peut améliorer la désulfuration, l'élimination de l'azote et la saturation des oléfines [2,8]. La micro-turbulence et le cisaillement augmentent la surface interfaciale disponible, atténuant les limitations du transfert de masse qui réduisent l'efficacité du catalyseur. Il est recommandé de procéder à une validation pilote afin d'optimiser la gravité de la cavitation, le temps de séjour et l'intégration des modules. Des modules de cavitation hydrodynamique bien conçus - des patins à pression avec des matériaux compatibles avec les conditions du procédé - peuvent permettre une conversion plus élevée par passage et une meilleure longévité du catalyseur.
2.5 Traitement caustique du carburéacteur (JCTU)
Dans le traitement caustique du carburéacteur, la cavitation hydrodynamique intensifie le contact entre la solution caustique et les hydrocarbures, ce qui améliore l'extraction des mercaptans et la stabilité du produit. Le micro-mélange et le renouvellement interfacial élevé peuvent réduire la consommation de caustique tout en maintenant ou en améliorant les performances d'édulcoration. Les systèmes de cavitation hydrodynamique en ligne permettent une mise à niveau directe avec une perturbation minimale du processus.
2.6 Unités d' alkylation(H₂SO₄ ALKY)
La cavitation hydrodynamique peut améliorer le contact acide-hydrocarbure dans les unités d'alkylation, favorisant des conditions de réaction plus uniformes et améliorant potentiellement l'indice d'octane et le rendement du produit [6]. Le cisaillement élevé, les micro-turbulences et les fluctuations de pression accélèrent les réactions catalysées par l'acide. La mise en œuvre nécessite une sélection rigoureuse des matériaux, une conception résistante à la corrosion et des protocoles de sécurité stricts. La validation à l'échelle pilote est recommandée avant l'adoption à grande échelle.
2.7 Valorisation et mélange des résidus
La cavitation hydrodynamique peut contribuer au mélange et à la valorisation partielle des résidus lourds et des résidus sous vide en améliorant la dispersion, en réduisant la viscosité et en améliorant la stabilité globale du combustible.
Applications de valorisation
Pour la valorisation, la cavitation favorise la désagrégation des asphaltènes, un léger craquage, une réduction de la viscosité, un passage à des fractions plus légères et une minimisation des boues [2-4]. Le traitement des résidus par cavitation hydrodynamique s'est avéré plus rentable que la cavitation acoustique pour les opérations à l'échelle pilote et peut améliorer les propriétés du bitume, la désulfuration et la stabilité de l'émulsion dans des applications telles que les charges d'alimentation du FCC, les hydrotraiteurs et les carburants marins [4,7,8]. Bien que la plupart des avantages rapportés proviennent de laboratoires et d'échelles pilotes, un contrôle approprié de l'intensité de la cavitation et du temps de séjour est essentiel pour une mise en œuvre sûre et efficace.
Applications de mélange
Dans les opérations de mélange, la cavitation hydrodynamique favorise la formation de dispersions fines et stables entre les huiles lourdes et les composants de faible viscosité tels que le biodiesel ou les huiles de pyrolyse. Le cisaillement élevé et les micro-turbulences générés pendant la cavitation améliorent la miscibilité, réduisent la propension à la séparation des phases et renforcent l'homogénéité pendant le stockage et la manutention.
Des tests indépendants réalisés par Bureau Veritas et des laboratoires de physique des données ont confirmé ces améliorations. Le tableau 1 résume une comparaison du HFO 380 mélangé à 20 % de biodiesel (FAME) en utilisant le mélange manuel conventionnel (HD) et le mélange assisté par cavitation (CF) avec le système CaviFlow® de RAPTECH. La méthode assistée par cavitation a produit des améliorations mesurables de la densité, de la viscosité, de la teneur en soufre, de la teneur en cendres, des niveaux de sédiments et de l'indice de stabilité moyen (MSI), tout en réduisant la concentration de cat-fines. Les essais sur les moteurs effectués par FVTR GmbH ont en outre révélé une réduction modeste (~1%) de la consommation de carburant pour le mélange HFO-20% FAME traité par cavitation.
En fonction de la taille du navire, du profil opérationnel et du prix du carburant, ces améliorations des propriétés peuvent se traduire par des avantages opérationnels significatifs dans le secteur maritime, où le fioul lourd reste une source d'énergie dominante.
Tableau 1. Comparaison du HFO 380 mélangé à 20 % de biodiesel (FAME) par mélange manuel conventionnel (HD) et par mélange assisté par cavitation (CF).
| Paramètres | Unité | Mélange (HD) | Blending (CF) | Amélioration (%) |
|---|---|---|---|---|
| Densité à 50°C | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Viscosité cinématique à 50°C | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Teneur en soufre | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Teneur en cendres | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Pour Point | °C | -15 | -15 | 0 |
| Point d'éclair (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Potentiel de sédimentation totale | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Sédiments totaux Existants | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Indice de stabilité moyen (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Cat Fines (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Les huiles lourdes ayant un °API < 22.3 sont généralement classées comme "fioul lourd".
(2) Bien que le point d'éclair ait diminué, les deux mélanges restent bien au-dessus des limites minimales de la norme ISO 8217 pour les combustibles marins résiduels, ce qui garantit la conformité avec les règles de sécurité.
3. Conclusion
La cavitation hydrodynamique est un outil polyvalent d'intensification des procédés capable de relever plusieurs défis persistants dans le raffinage du pétrole, notamment l'hétérogénéité des matières premières, les limitations du transfert de masse, l'encrassement et le traitement des résidus à haute viscosité. Dans les unités de dessalement du brut, de conversion thermique et catalytique, de traitement caustique et d'alkylation, la cavitation hydrodynamique permet d'améliorer la dispersion, l'uniformité des réactions et la stabilité des opérations, tout en réduisant potentiellement la consommation d'énergie et l'impact sur l'environnement.
Les résultats prometteurs obtenus pour la valorisation des résidus et le mélange assisté par cavitation - en particulier l'amélioration de la manipulation et de la stabilité des mélanges HFO-FAME - soulignent la pertinence de la cavitation hydrodynamique à mesure que les secteurs du raffinage et des carburants maritimes et de soute évoluent vers des flux de carburants plus diversifiés et renouvelables. L'introduction de la norme ISO 8217:2024 [9], qui autorise les carburants marins contenant jusqu'à 100 % d'EMAG, amplifie encore le besoin de technologies capables de stabiliser les mélanges de fractions pétrolières lourdes avec des carburants alternatifs. La capacité de la cavitation hydrodynamique à réduire la viscosité, à améliorer la stabilité des phases et à atténuer les problèmes liés aux sédiments et aux contaminants en fait un outil pratique dans ce paysage en évolution.
L'adoption industrielle réussie dépendra de :
- Contrôle précis de l'intensité de la cavitation pour équilibrer les gains d'efficacité et l'intégrité de l'équipement.
- Assurer la compatibilité avec les flux de traitement à haute température, corrosifs ou à haute viscosité.
- L'intégration des modules HC dans les configurations existantes des raffineries sans perturber le contrôle des processus critiques.
Bien que les données actuelles soient essentiellement à l'échelle pilote, le traitement du pétrole lourd et le mélange de carburants assistés par la cavitation hydrodynamique constituent des voies encourageantes pour accroître l'efficacité des raffineries, permettre l'intégration de carburants alternatifs et soutenir des objectifs plus larges de décarbonisation et de développement durable [4]. Ces avantages sont directement applicables au secteur des carburants maritimes et de soute, car ils permettent d'améliorer les opérations, l'environnement et la qualité des carburants.
Auteur : Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Références
- Demirbas, A. ; Bafail, A. ; Nizami, A.-S. Valorisation du pétrole lourd : 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. Étude expérimentale sur la réduction de la viscosité de l'huile lourde par des donneurs d'hydrogène à l'aide d'un jet de cavitation. RSC Advances, 2019, 9, 2509-2515. DOI : 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P. ; Minakov, A. V. Application of Cavitation in Oil Processing : An Overview of Mechanisms and Results of Treatment. 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 : A perspective on key fundamentals, missing process data and economic feasibility - A review. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- Groupe de travail CIMAC sur les carburants. CIMAC Guideline : Carburants marins contenant des EMAG - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024
