La cavitazione idrodinamica è una tecnologia emergente di intensificazione del processo ad alta efficienza energetica che può migliorare l'efficienza, la resa e la sostenibilità delle principali operazioni di raffineria. Generando taglio controllato su microscala, turbolenza ed effetti termomeccanici localizzati - all'interno delle unità CaviFlow® di RAPTECH - la cavitazione idrodinamica può migliorare la miscelazione, il trasferimento di massa e calore, la cinetica di reazione e il condizionamento delle materie prime. Questa rassegna valuta le opportunità di integrazione della cavitazione idrodinamica nei processi di desalinizzazione del greggio, coking ritardato, cracking catalitico fluido, idrotrattamento, alchilazione e upgrading del residuo, ponendo l'accento sulla comprensione della meccanica, sulla configurazione delle apparecchiature e sui vincoli operativi.
Recenti risultati pratici, tra cui la miscelazione e l'upgrading del residuo, dimostrano benefici misurabili nella miscelazione di olio combustibile pesante con combustibili alternativi. La miscelazione assistita da cavitazione di HFO con il 20% di FAME ha mostrato un miglioramento della viscosità, della densità, del contenuto di sedimenti e degli indici di stabilità, nonché una riduzione delle cat-fine e un modesto miglioramento del consumo di carburante. Questi risultati evidenziano l'importanza della cavitazione idrodinamica non solo per i processi di raffinazione, ma anche per il settore dei carburanti marittimi/bunker, in particolare nel contesto della norma ISO 8217:2024, che consente carburanti marini contenenti fino al 100% di FAME. I risultati riflettono una tendenza più ampia dell'industria verso materie prime a basso contenuto di carbonio, rinnovabili e più variabili.
Complessivamente, la cavitazione idrodinamica e le unità CaviFlow® di RAPTECH rappresentano un percorso promettente per migliorare la lavorabilità, ridurre i requisiti energetici e sostenere la transizione verso sistemi di raffinazione e di carburante marino più sostenibili. Sebbene la maggior parte dei dati provenga da studi di laboratorio e su scala pilota, le dimostrazioni emergenti, tra cui la miscelazione e l'upgrading dei residui, sottolineano il potenziale della cavitazione idrodinamica per l'impiego pratico a livello industriale.
1. Introduzione
Introduzione
I processi di conversione delle raffinerie sono fondamentali per trasformare il petrolio greggio in carburanti per il trasporto, materie prime petrolchimiche e prodotti di alto valore. L'efficienza e la qualità dei prodotti sono spesso limitate dall'eterogeneità delle materie prime, dalla disattivazione dei catalizzatori, dalle incrostazioni e dai vincoli del trasferimento di massa. L'uso crescente di greggi pesanti ed extrapesanti, che costituiscono una parte significativa delle riserve globali recuperabili, presenta ulteriori sfide a causa dell'elevata viscosità, della bassa gravità API (<20°) e dell'elevato contenuto di asfaltene [1]. Queste proprietà ostacolano il trasferimento di calore e massa, accelerano il fouling e aumentano la formazione di coke nei processi termici e catalitici.
La cavitazione idrodinamica è emersa come una strategia di intensificazione dei processi molto promettente. Genera microbolle controllate, punti caldi localizzati, taglio estremo e gradienti di pressione, che possono migliorare le reazioni chimiche, la dispersione di fase e il trasferimento di massa. Rispetto alla miscelazione meccanica convenzionale o agli additivi chimici, la cavitazione idrodinamica rappresenta un approccio potenzialmente efficiente dal punto di vista energetico e a basso contenuto chimico per affrontare i colli di bottiglia delle raffinerie [2]. La cavitazione idrodinamica può essere combinata con catalizzatori, tensioattivi, ossidanti blandi (ad es, H₂O₂, ozono) o irradiazione UV per migliorare ulteriormente l'efficienza della reazione e i risultati di una lavorazione più pulita [2].
Meccanicisticamente, la cavitazione può indurre modifiche a livello molecolare negli idrocarburi, tra cui la disaggregazione dell'asfaltene, il parziale cracking e le modifiche delle proprietà reologiche, che migliorano la manipolazione delle materie prime e l'efficienza della reazione [3]. La scalabilità della cavitazione idrodinamica nelle operazioni industriali è difficile a causa dell'assenza di un metodo standardizzato per quantificare l'intensità della cavitazione in diversi fluidi e richiede elevati costi di capitale e operativi [1,4]. La cavitazione idrodinamica può migliorare la processabilità e l'efficienza, anche se la validazione industriale su larga scala è ancora limitata.
I processi assistiti dalla cavitazione idrodinamica possono offrire vantaggi operativi e ambientali, tra cui la riduzione del consumo energetico, il miglioramento della produttività e la riduzione delle emissioni di gas serra. Possono integrare i metodi di upgrading convenzionali, che sono spesso ad alto consumo energetico e con reattori di tipo rd. Il numero di cavitazione è stato proposto come parametro sistematico per ottimizzare la progettazione del reattore e collegare i dati sperimentali con le applicazioni pratiche.
2. Opportunità di cavitazione idrodinamica ad alto impatto
2.1 Dissalazione del greggio (CDU)
L'integrazione della cavitazione idrodinamica all'ingresso del dissalatore può migliorare la dispersione olio-acqua e la rimozione dei sali. La micro-turbolenza, il taglio e le fluttuazioni di pressione localizzate favoriscono la rottura di emulsioni stabili, generando gocce fini e uniformi che migliorano il contatto acqua-olio e accelerano la coalescenza. Ciò può portare a un minore contenuto di sale residuo, a una riduzione delle incrostazioni e della corrosione e a un miglioramento delle prestazioni di scambio termico [2]. Le unità di cavitazione idrodinamica possono essere implementate come skid compatti in linea con modifiche minime all'infrastruttura di desalinizzazione esistente.
2.2 Coking ritardato (DCU)
L'applicazione della cavitazione idrodinamica al residuo sottovuoto prima dei riscaldatori del coker può migliorare l'omogeneizzazione dell'alimentazione e indurre lievi effetti di pre-grading. Il taglio, la micro-miscelazione e l'attivazione termo-meccanica localizzata promuovono la parziale disaggregazione dell'asfaltene e la riduzione della viscosità, consentendo un cracking termico più uniforme [5,3]. Studi su scala pilota hanno riportato miglioramenti nella stabilità del riscaldatore, riduzioni nella deposizione di coke e modesti aumenti nei rendimenti dei prodotti liquidi quando la cavitazione idrodinamica viene integrata a monte del coker. Mantenere l'intensità di cavitazione appropriata è essenziale per evitare un eccessivo pre-cracking, in particolare in alimentazioni altamente aromatiche o instabili [1,3]. Un'adeguata progettazione del sistema di cavitazione idrodinamica e l'ottimizzazione delle condizioni operative sono quindi fondamentali per un'implementazione sicura ed efficace.
2.3 Unità di cracking catalitico fluido (FCCU)
Precondizionamento degli alimenti pesanti (ad es, gasolio o residui sottovuoto) attraverso la cavitazione idrodinamica può migliorare l'omogeneizzazione dell'alimentazione e disgregare parzialmente gli aggregati ricchi di asfaltene e metalli, riducendo potenzialmente il carico effettivo di contaminanti che contribuisce alla formazione di CCR [6]. L'intenso taglio e la micro-miscelazione generati dalla cavitazione possono anche migliorare la dispersione, il trasferimento di massa e la reologia complessiva del mangime, favorendo una maggiore efficienza di conversione e riducendo la tendenza al fouling. Questi effetti sono stati dimostrati su scala pilota, ma ad oggi non esistono dati pubblici che confermino l'implementazione di FCC su scala reale. L'integrazione della cavitazione idrodinamica a monte di un'unità FCC richiede un'attenta progettazione dell'interfaccia di iniezione del combustibile, compresi pressione, temperatura, metallurgia e compatibilità con i sistemi di preriscaldamento e di distribuzione del combustibile esistenti.4 Idrotrattori (DHT, CNHT, NHT)
La premiscelazione idrogeno-olio assistita da cavitazione può migliorare la dispersione di H₂ e il contatto interfacciale, potenzialmente migliorando la desolforazione, la rimozione dell'azoto e la saturazione delle olefine [2,8]. La microturbolenza e il taglio aumentano l'area interfacciale disponibile, attenuando le limitazioni del trasferimento di massa che riducono l'efficacia del catalizzatore. Si raccomanda la convalida pilota per ottimizzare la gravità della cavitazione, il tempo di residenza e l'integrazione del modulo. Moduli di cavitazione idrodinamica adeguatamente progettati - skid classificati in base alla pressione con materiali compatibili con le condizioni di processo - possono supportare una maggiore conversione per passaggio e una migliore longevità del catalizzatore.
2.5 Trattamento caustico del jet fuel (JCTU)
Nel trattamento caustico del jet fuel, la cavitazione idrodinamica intensifica il contatto tra la soluzione caustica e gli idrocarburi, migliorando l'estrazione del mercaptano e la stabilità del prodotto. La micro-miscelazione e l'elevato rinnovamento interfacciale possono ridurre il consumo di caustico mantenendo o migliorando le prestazioni di addolcimento. I sistemi di cavitazione idrodinamica in linea consentono un'installazione a posteriori immediata, con un'interruzione minima del processo.
2.6 Unità di alchilazione (H₂SO₄ ALKY)
La cavitazione idrodinamica può migliorare il contatto acido-idrocarburi nelle unità di alchilazione, favorendo condizioni di reazione più uniformi e potenzialmente migliorando il numero di ottano e la resa del prodotto [6]. L'elevato taglio, la micro-turbolenza e le fluttuazioni di pressione accelerano le reazioni catalizzate dagli acidi. L'implementazione richiede una selezione rigorosa dei materiali, una progettazione resistente alla corrosione e protocolli di sicurezza rigorosi. Si raccomanda la convalida su scala pilota prima dell'adozione su scala reale.
2.7 Upgrading e miscelazione dei residui
La cavitazione idrodinamica può supportare sia la miscelazione che l'upgrading parziale dei residui pesanti e dei residui sottovuoto, aumentando la dispersione, riducendo la viscosità e migliorando la stabilità complessiva del combustibile.
Applicazioni di upgrading
Per l'upgrading, la cavitazione promuove la disaggregazione dell'asfaltene, un lieve cracking, la riduzione della viscosità, il passaggio a frazioni più leggere e la minimizzazione dei fanghi [2-4]. Il trattamento dei residui assistito da cavitazione idrodinamica ha dimostrato di essere più conveniente della cavitazione acustica per le operazioni su scala pilota e può migliorare le proprietà del bitume, la desolforazione e la stabilità dell'emulsione in applicazioni come le materie prime FCC, gli idrotrattori e i combustibili marini [4,7,8]. Sebbene la maggior parte dei benefici riportati derivi da scale di laboratorio e pilota, un adeguato controllo dell'intensità della cavitazione e del tempo di permanenza è fondamentale per un'implementazione sicura ed efficace.
Applicazioni di miscelazione
Nelle operazioni di miscelazione, la cavitazione idrodinamica favorisce la formazione di dispersioni fini e stabili tra oli pesanti e componenti a bassa viscosità, come biodiesel o oli di pirolisi. L'elevato taglio e la micro-turbolenza generati durante la cavitazione migliorano la miscibilità, riducono la propensione alla separazione di fase e migliorano l'omogeneità durante lo stoccaggio e la movimentazione.
Test indipendenti condotti presso Bureau Veritas e laboratori di fisica dei dati hanno confermato questi miglioramenti. La Tabella 1 riassume un confronto tra l'HFO 380 miscelato con il 20% di biodiesel (FAME) utilizzando la miscelazione manuale convenzionale (HD) e la miscelazione assistita da cavitazione (CF) con il sistema CaviFlow® di RAPTECH. Il metodo assistito da cavitazione ha prodotto miglioramenti misurabili in termini di densità, viscosità, contenuto di zolfo, contenuto di ceneri, livelli di sedimenti e indice di stabilità medio (MSI), riducendo al contempo la concentrazione di cat-fine. I test sui motori condotti da FVTR GmbH hanno inoltre riportato una modesta (~1%) riduzione del consumo di carburante per la miscela HFO-20% FAME trattata con la cavitazione.
A seconda delle dimensioni della nave, del profilo operativo e del prezzo del carburante, tali miglioramenti delle proprietà possono tradursi in significativi vantaggi operativi nel settore marittimo, in cui l'olio combustibile pesante rimane una fonte energetica dominante.
Tabella 1. Confronto tra HFO 380 miscelato con il 20% di biodiesel (FAME) mediante miscelazione manuale convenzionale (HD) e miscelazione assistita da cavitazione (CF).
[DATABLE_ID::5269]
(1) Gli oli pesanti con °API < 22.3 sono tipicamente classificati come "olio combustibile pesante".
(2) Sebbene il punto di infiammabilità sia diminuito, entrambe le miscele rimangono ben al di sopra dei limiti minimi ISO 8217 per i combustibili marini residui, garantendo la conformità alle normative di sicurezza.
3. Conclusioni
La cavitazione idrodinamica rappresenta uno strumento versatile di intensificazione del processo in grado di affrontare diverse sfide persistenti nella raffinazione del petrolio, tra cui l'eterogeneità delle materie prime, le limitazioni del trasferimento di massa, il fouling e la lavorazione di residui ad alta viscosità. Nella desalinizzazione del greggio, nelle unità di conversione termica e catalitica, nel trattamento caustico e nell'alchilazione, la cavitazione idrodinamica offre l'opportunità di migliorare la dispersione, l'uniformità di reazione e la stabilità operativa, riducendo potenzialmente il consumo energetico e l'impatto ambientale.
I promettenti risultati dimostrati per l'upgrading dei residui e la miscelazione assistita da cavitazione - in particolare il miglioramento della gestione e della stabilità delle miscele HFO-FAME - sottolineano l'importanza della cavitazione idrodinamica nella transizione dei settori della raffinazione e dei combustibili marittimi/bunker verso flussi di combustibili più diversificati e rinnovabili. L'introduzione della norma ISO 8217:2024 [9], che consente di utilizzare carburanti marini contenenti fino al 100% di FAME, amplifica ulteriormente la necessità di tecnologie in grado di stabilizzare le miscele di frazioni petrolifere pesanti con carburanti alternativi. La capacità della cavitazione idrodinamica di ridurre la viscosità, migliorare la stabilità di fase e mitigare i problemi legati ai sedimenti e ai contaminanti la posiziona come un fattore pratico in questo panorama in evoluzione.
Ilsuccesso dell'adozione industriale dipenderà da:
Sebbene le prove attuali siano prevalentemente su scala pilota, il trattamento degli oli pesanti e la miscelazione dei carburanti assistita dalla cavitazione idrodinamica dimostrano percorsi incoraggianti per aumentare l'efficienza delle raffinerie, consentire l'integrazione dei carburanti alternativi e sostenere obiettivi più ampi di decarbonizzazione e sostenibilità [4]. Questi vantaggi sono direttamente applicabili al settore dei combustibili marittimi/bunker, fornendo miglioramenti operativi, ambientali e di qualità del carburante.
Autore: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Riferimenti
Recenti risultati pratici, tra cui la miscelazione e l'upgrading del residuo, dimostrano benefici misurabili nella miscelazione di olio combustibile pesante con combustibili alternativi. La miscelazione assistita da cavitazione di HFO con il 20% di FAME ha mostrato un miglioramento della viscosità, della densità, del contenuto di sedimenti e degli indici di stabilità, nonché una riduzione delle cat-fine e un modesto miglioramento del consumo di carburante. Questi risultati evidenziano l'importanza della cavitazione idrodinamica non solo per i processi di raffinazione, ma anche per il settore dei carburanti marittimi/bunker, in particolare nel contesto della norma ISO 8217:2024, che consente carburanti marini contenenti fino al 100% di FAME. I risultati riflettono una tendenza più ampia dell'industria verso materie prime a basso contenuto di carbonio, rinnovabili e più variabili.
Complessivamente, la cavitazione idrodinamica e le unità CaviFlow® di RAPTECH rappresentano un percorso promettente per migliorare la lavorabilità, ridurre i requisiti energetici e sostenere la transizione verso sistemi di raffinazione e di carburante marino più sostenibili. Sebbene la maggior parte dei dati provenga da studi di laboratorio e su scala pilota, le dimostrazioni emergenti, tra cui la miscelazione e l'upgrading dei residui, sottolineano il potenziale della cavitazione idrodinamica per l'impiego pratico a livello industriale.
1. Introduzione
Introduzione
I processi di conversione delle raffinerie sono fondamentali per trasformare il petrolio greggio in carburanti per il trasporto, materie prime petrolchimiche e prodotti di alto valore. L'efficienza e la qualità dei prodotti sono spesso limitate dall'eterogeneità delle materie prime, dalla disattivazione dei catalizzatori, dalle incrostazioni e dai vincoli del trasferimento di massa. L'uso crescente di greggi pesanti ed extrapesanti, che costituiscono una parte significativa delle riserve globali recuperabili, presenta ulteriori sfide a causa dell'elevata viscosità, della bassa gravità API (<20°) e dell'elevato contenuto di asfaltene [1]. Queste proprietà ostacolano il trasferimento di calore e massa, accelerano il fouling e aumentano la formazione di coke nei processi termici e catalitici.
La cavitazione idrodinamica è emersa come una strategia di intensificazione dei processi molto promettente. Genera microbolle controllate, punti caldi localizzati, taglio estremo e gradienti di pressione, che possono migliorare le reazioni chimiche, la dispersione di fase e il trasferimento di massa. Rispetto alla miscelazione meccanica convenzionale o agli additivi chimici, la cavitazione idrodinamica rappresenta un approccio potenzialmente efficiente dal punto di vista energetico e a basso contenuto chimico per affrontare i colli di bottiglia delle raffinerie [2]. La cavitazione idrodinamica può essere combinata con catalizzatori, tensioattivi, ossidanti blandi (ad es, H₂O₂, ozono) o irradiazione UV per migliorare ulteriormente l'efficienza della reazione e i risultati di una lavorazione più pulita [2].
Meccanicisticamente, la cavitazione può indurre modifiche a livello molecolare negli idrocarburi, tra cui la disaggregazione dell'asfaltene, il parziale cracking e le modifiche delle proprietà reologiche, che migliorano la manipolazione delle materie prime e l'efficienza della reazione [3]. La scalabilità della cavitazione idrodinamica nelle operazioni industriali è difficile a causa dell'assenza di un metodo standardizzato per quantificare l'intensità della cavitazione in diversi fluidi e richiede elevati costi di capitale e operativi [1,4]. La cavitazione idrodinamica può migliorare la processabilità e l'efficienza, anche se la validazione industriale su larga scala è ancora limitata.
I processi assistiti dalla cavitazione idrodinamica possono offrire vantaggi operativi e ambientali, tra cui la riduzione del consumo energetico, il miglioramento della produttività e la riduzione delle emissioni di gas serra. Possono integrare i metodi di upgrading convenzionali, che sono spesso ad alto consumo energetico e con reattori di tipo rd. Il numero di cavitazione è stato proposto come parametro sistematico per ottimizzare la progettazione del reattore e collegare i dati sperimentali con le applicazioni pratiche.
2. Opportunità di cavitazione idrodinamica ad alto impatto
2.1 Dissalazione del greggio (CDU)
L'integrazione della cavitazione idrodinamica all'ingresso del dissalatore può migliorare la dispersione olio-acqua e la rimozione dei sali. La micro-turbolenza, il taglio e le fluttuazioni di pressione localizzate favoriscono la rottura di emulsioni stabili, generando gocce fini e uniformi che migliorano il contatto acqua-olio e accelerano la coalescenza. Ciò può portare a un minore contenuto di sale residuo, a una riduzione delle incrostazioni e della corrosione e a un miglioramento delle prestazioni di scambio termico [2]. Le unità di cavitazione idrodinamica possono essere implementate come skid compatti in linea con modifiche minime all'infrastruttura di desalinizzazione esistente.
2.2 Coking ritardato (DCU)
L'applicazione della cavitazione idrodinamica al residuo sottovuoto prima dei riscaldatori del coker può migliorare l'omogeneizzazione dell'alimentazione e indurre lievi effetti di pre-grading. Il taglio, la micro-miscelazione e l'attivazione termo-meccanica localizzata promuovono la parziale disaggregazione dell'asfaltene e la riduzione della viscosità, consentendo un cracking termico più uniforme [5,3]. Studi su scala pilota hanno riportato miglioramenti nella stabilità del riscaldatore, riduzioni nella deposizione di coke e modesti aumenti nei rendimenti dei prodotti liquidi quando la cavitazione idrodinamica viene integrata a monte del coker. Mantenere l'intensità di cavitazione appropriata è essenziale per evitare un eccessivo pre-cracking, in particolare in alimentazioni altamente aromatiche o instabili [1,3]. Un'adeguata progettazione del sistema di cavitazione idrodinamica e l'ottimizzazione delle condizioni operative sono quindi fondamentali per un'implementazione sicura ed efficace.
2.3 Unità di cracking catalitico fluido (FCCU)
Precondizionamento degli alimenti pesanti (ad es, gasolio o residui sottovuoto) attraverso la cavitazione idrodinamica può migliorare l'omogeneizzazione dell'alimentazione e disgregare parzialmente gli aggregati ricchi di asfaltene e metalli, riducendo potenzialmente il carico effettivo di contaminanti che contribuisce alla formazione di CCR [6]. L'intenso taglio e la micro-miscelazione generati dalla cavitazione possono anche migliorare la dispersione, il trasferimento di massa e la reologia complessiva del mangime, favorendo una maggiore efficienza di conversione e riducendo la tendenza al fouling. Questi effetti sono stati dimostrati su scala pilota, ma ad oggi non esistono dati pubblici che confermino l'implementazione di FCC su scala reale. L'integrazione della cavitazione idrodinamica a monte di un'unità FCC richiede un'attenta progettazione dell'interfaccia di iniezione del combustibile, compresi pressione, temperatura, metallurgia e compatibilità con i sistemi di preriscaldamento e di distribuzione del combustibile esistenti.4 Idrotrattori (DHT, CNHT, NHT)
La premiscelazione idrogeno-olio assistita da cavitazione può migliorare la dispersione di H₂ e il contatto interfacciale, potenzialmente migliorando la desolforazione, la rimozione dell'azoto e la saturazione delle olefine [2,8]. La microturbolenza e il taglio aumentano l'area interfacciale disponibile, attenuando le limitazioni del trasferimento di massa che riducono l'efficacia del catalizzatore. Si raccomanda la convalida pilota per ottimizzare la gravità della cavitazione, il tempo di residenza e l'integrazione del modulo. Moduli di cavitazione idrodinamica adeguatamente progettati - skid classificati in base alla pressione con materiali compatibili con le condizioni di processo - possono supportare una maggiore conversione per passaggio e una migliore longevità del catalizzatore.
2.5 Trattamento caustico del jet fuel (JCTU)
Nel trattamento caustico del jet fuel, la cavitazione idrodinamica intensifica il contatto tra la soluzione caustica e gli idrocarburi, migliorando l'estrazione del mercaptano e la stabilità del prodotto. La micro-miscelazione e l'elevato rinnovamento interfacciale possono ridurre il consumo di caustico mantenendo o migliorando le prestazioni di addolcimento. I sistemi di cavitazione idrodinamica in linea consentono un'installazione a posteriori immediata, con un'interruzione minima del processo.
2.6 Unità di alchilazione (H₂SO₄ ALKY)
La cavitazione idrodinamica può migliorare il contatto acido-idrocarburi nelle unità di alchilazione, favorendo condizioni di reazione più uniformi e potenzialmente migliorando il numero di ottano e la resa del prodotto [6]. L'elevato taglio, la micro-turbolenza e le fluttuazioni di pressione accelerano le reazioni catalizzate dagli acidi. L'implementazione richiede una selezione rigorosa dei materiali, una progettazione resistente alla corrosione e protocolli di sicurezza rigorosi. Si raccomanda la convalida su scala pilota prima dell'adozione su scala reale.
2.7 Upgrading e miscelazione dei residui
La cavitazione idrodinamica può supportare sia la miscelazione che l'upgrading parziale dei residui pesanti e dei residui sottovuoto, aumentando la dispersione, riducendo la viscosità e migliorando la stabilità complessiva del combustibile.
Applicazioni di upgrading
Per l'upgrading, la cavitazione promuove la disaggregazione dell'asfaltene, un lieve cracking, la riduzione della viscosità, il passaggio a frazioni più leggere e la minimizzazione dei fanghi [2-4]. Il trattamento dei residui assistito da cavitazione idrodinamica ha dimostrato di essere più conveniente della cavitazione acustica per le operazioni su scala pilota e può migliorare le proprietà del bitume, la desolforazione e la stabilità dell'emulsione in applicazioni come le materie prime FCC, gli idrotrattori e i combustibili marini [4,7,8]. Sebbene la maggior parte dei benefici riportati derivi da scale di laboratorio e pilota, un adeguato controllo dell'intensità della cavitazione e del tempo di permanenza è fondamentale per un'implementazione sicura ed efficace.
Applicazioni di miscelazione
Nelle operazioni di miscelazione, la cavitazione idrodinamica favorisce la formazione di dispersioni fini e stabili tra oli pesanti e componenti a bassa viscosità, come biodiesel o oli di pirolisi. L'elevato taglio e la micro-turbolenza generati durante la cavitazione migliorano la miscibilità, riducono la propensione alla separazione di fase e migliorano l'omogeneità durante lo stoccaggio e la movimentazione.
Test indipendenti condotti presso Bureau Veritas e laboratori di fisica dei dati hanno confermato questi miglioramenti. La Tabella 1 riassume un confronto tra l'HFO 380 miscelato con il 20% di biodiesel (FAME) utilizzando la miscelazione manuale convenzionale (HD) e la miscelazione assistita da cavitazione (CF) con il sistema CaviFlow® di RAPTECH. Il metodo assistito da cavitazione ha prodotto miglioramenti misurabili in termini di densità, viscosità, contenuto di zolfo, contenuto di ceneri, livelli di sedimenti e indice di stabilità medio (MSI), riducendo al contempo la concentrazione di cat-fine. I test sui motori condotti da FVTR GmbH hanno inoltre riportato una modesta (~1%) riduzione del consumo di carburante per la miscela HFO-20% FAME trattata con la cavitazione.
A seconda delle dimensioni della nave, del profilo operativo e del prezzo del carburante, tali miglioramenti delle proprietà possono tradursi in significativi vantaggi operativi nel settore marittimo, in cui l'olio combustibile pesante rimane una fonte energetica dominante.
Tabella 1. Confronto tra HFO 380 miscelato con il 20% di biodiesel (FAME) mediante miscelazione manuale convenzionale (HD) e miscelazione assistita da cavitazione (CF).
[DATABLE_ID::5269]
(1) Gli oli pesanti con °API < 22.3 sono tipicamente classificati come "olio combustibile pesante".
(2) Sebbene il punto di infiammabilità sia diminuito, entrambe le miscele rimangono ben al di sopra dei limiti minimi ISO 8217 per i combustibili marini residui, garantendo la conformità alle normative di sicurezza.
3. Conclusioni
La cavitazione idrodinamica rappresenta uno strumento versatile di intensificazione del processo in grado di affrontare diverse sfide persistenti nella raffinazione del petrolio, tra cui l'eterogeneità delle materie prime, le limitazioni del trasferimento di massa, il fouling e la lavorazione di residui ad alta viscosità. Nella desalinizzazione del greggio, nelle unità di conversione termica e catalitica, nel trattamento caustico e nell'alchilazione, la cavitazione idrodinamica offre l'opportunità di migliorare la dispersione, l'uniformità di reazione e la stabilità operativa, riducendo potenzialmente il consumo energetico e l'impatto ambientale.
I promettenti risultati dimostrati per l'upgrading dei residui e la miscelazione assistita da cavitazione - in particolare il miglioramento della gestione e della stabilità delle miscele HFO-FAME - sottolineano l'importanza della cavitazione idrodinamica nella transizione dei settori della raffinazione e dei combustibili marittimi/bunker verso flussi di combustibili più diversificati e rinnovabili. L'introduzione della norma ISO 8217:2024 [9], che consente di utilizzare carburanti marini contenenti fino al 100% di FAME, amplifica ulteriormente la necessità di tecnologie in grado di stabilizzare le miscele di frazioni petrolifere pesanti con carburanti alternativi. La capacità della cavitazione idrodinamica di ridurre la viscosità, migliorare la stabilità di fase e mitigare i problemi legati ai sedimenti e ai contaminanti la posiziona come un fattore pratico in questo panorama in evoluzione.
Ilsuccesso dell'adozione industriale dipenderà da:
- Controllo preciso dell'intensità della cavitazione per bilanciare i guadagni di efficienza con l'integrità dell'apparecchiatura.
- Garantire la compatibilità con flussi di processo ad alta temperatura, corrosivi o ad alta viscosità.
- Integrazione dei moduli HC nelle configurazioni di raffineria esistenti senza interrompere il controllo dei processi critici.
Sebbene le prove attuali siano prevalentemente su scala pilota, il trattamento degli oli pesanti e la miscelazione dei carburanti assistita dalla cavitazione idrodinamica dimostrano percorsi incoraggianti per aumentare l'efficienza delle raffinerie, consentire l'integrazione dei carburanti alternativi e sostenere obiettivi più ampi di decarbonizzazione e sostenibilità [4]. Questi vantaggi sono direttamente applicabili al settore dei combustibili marittimi/bunker, fornendo miglioramenti operativi, ambientali e di qualità del carburante.
Autore: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Riferimenti
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Miglioramento del petrolio pesante: Sbloccare il futuro approvvigionamento di carburante. Petroleum Science and Technology, 2016, 34(4), 303-308. DOI: 10.1080/10916466.2015.1136949.
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- 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. Fluidi, 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.
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- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Applicazione della cavitazione nella lavorazione del petrolio: Una panoramica dei meccanismi e dei risultati del trattamento. ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
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- Cako, E.; Wang, Z.; Castro-Muñoz, R.; Rayaroth, M. P.; Boczkaj, G. Cavitation based cleaner technologies for biodiesel production and processing of hydrocarbon streams: Una prospettiva sui fondamenti chiave, sui dati di processo mancanti e sulla fattibilità economica - Una rassegna. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- Gruppo di lavoro CIMAC sui combustibili. Linea guida CIMAC: Combustibili marini contenenti FAME - ISO 8217:2024. CIMAC, 2024
