Hidrodinaminė kavitacija - tai nauja, energiją taupanti procesų intensyvinimo technologija, galinti padidinti pagrindinių naftos perdirbimo operacijų efektyvumą, išeigą ir tvarumą. Hidrodinaminė kavitacija gali pagerinti maišymą, masės ir šilumos perdavimą, reakcijų kinetiką ir žaliavų kondicionavimą, nes RAPTECH "CaviFlow®" įrenginiuose sukuria kontroliuojamą mikroskalės šlyties, turbulencijos ir lokalizuotus šiluminius-mechaninius efektus. Šioje apžvalgoje vertinamos hidrodinaminės kavitacijos integravimo galimybės žalios naftos gėlinimo, uždelsto koksavimo, skystojo katalizinio krekingo, hidrinimo, alkilinimo ir likučių atnaujinimo srityse, daugiausia dėmesio skiriant mechanikos supratimui, įrangos konfigūracijai ir veiklos apribojimams.
Naujausi praktiniai rezultatai, įskaitant likučių maišymą ir atnaujinimą, rodo išmatuojamą naudą maišant sunkųjį mazutą su alternatyviaisiais degalais. Kavitacijos pagalba maišant HFO su 20 % FAME pagerėjo klampos, tankio, nuosėdų kiekio ir stabilumo rodikliai, taip pat sumažėjo katino dalelių ir šiek tiek padidėjo degalų sąnaudos. Šios išvados rodo hidrodinaminės kavitacijos svarbą ne tik naftos perdirbimo procesams, bet ir jūrinio kuro ir (arba) bunkerinio kuro sektoriui, ypač atsižvelgiant į ISO 8217:2024 standartą, pagal kurį leidžiama naudoti jūrinį kurą, kurio sudėtyje yra iki 100 % FAME. Rezultatai atspindi platesnę pramonės tendenciją pereiti prie mažai anglies dioksido į aplinką išskiriančių, atsinaujinančių ir labiau kintančių žaliavų.
Apskritai hidrodinaminė kavitacija ir RAPTECH's CaviFlow® įrenginiai yra perspektyvus būdas pagerinti perdirbimo galimybes, sumažinti energijos poreikį ir paremti perėjimą prie tvaresnių naftos perdirbimo ir jūrinių degalų sistemų. Nors dauguma duomenų gauti atlikus laboratorinius ir bandomuosius tyrimus, nauji demonstraciniai pavyzdžiai, įskaitant likučių maišymą ir modernizavimą, rodo hidrodinaminės kavitacijos praktinio pritaikymo pramonėje galimybes.
1. Įvadas
Naftos perdirbimo procesai yra svarbiausi perdirbant žalią naftą į transporto degalus, naftos chemijos žaliavas ir didelės vertės produktus. Efektyvumą ir produktų kokybę dažnai riboja žaliavų heterogeniškumas, katalizatoriaus deaktyvacija, užsiteršimas ir masės pernašos apribojimai. Vis dažniau naudojant sunkiąją ir labai sunkiąją žaliąją naftą, kuri sudaro didelę išgaunamų pasaulinių atsargų dalį, kyla papildomų sunkumų dėl didelės klampos, mažo API svorio (<20°) ir padidėjusio asfalteno kiekio [1]. Šios savybės trukdo šilumos ir masės perdavimui, spartina užsiteršimą ir didina kokso susidarymą terminiuose ir kataliziniuose procesuose.
Hidrodinaminė kavitacija tapo svarbia procesų intensyvinimo strategija. Ji sukuria kontroliuojamus mikroburbuliukus, lokalizuotus karštuosius taškus, ekstremalius šlyties ir slėgio gradientus, kurie gali sustiprinti chemines reakcijas, fazių dispersiją ir masės pernašą. Lyginant su įprastiniu mechaniniu maišymu ar cheminiais priedais, hidrodinaminė kavitacija yra potencialiai efektyvus energijos vartojimo požiūriu ir mažai cheminių medžiagų reikalaujantis metodas, padedantis spręsti naftos perdirbimo gamyklų kliūčių problemą [2]. Hidrodinaminė kavitacija gali būti derinama su katalizatoriais, paviršinio aktyvumo medžiagomis, švelniais oksidatoriais (pvz, H₂O₂, ozonu) arba UV spinduliais, siekiant dar labiau padidinti reakcijos efektyvumą ir švaresnius perdirbimo rezultatus [2].
Mechaniškai kavitacija gali sukelti angliavandenilių molekulinio lygmens modifikacijas, įskaitant asfalteno dezagregaciją, dalinį skilimą ir reologinių savybių pokyčius, kurie pagerina žaliavos tvarkymą ir reakcijos efektyvumą [3]. Hidrodinaminės kavitacijos pritaikymas pramoninėje veikloje yra sudėtingas uždavinys, nes nėra standartizuoto kavitacijos intensyvumo kiekybinio įvertinimo metodo skirtingiems skysčiams, o tai reikalauja didelių kapitalo ir veiklos sąnaudų [1,4]. Laboratorinių ir bandomųjų tyrimų duomenys rodo, kad hidrodinaminė kavitacija gali pagerinti technologinį našumą ir efektyvumą, nors pramoninis patvirtinimas vis dar yra ribotas.
Hidrodinamine kavitacija paremti procesai gali būti naudingi eksploatacijai ir aplinkai, įskaitant mažesnį energijos suvartojimą, didesnį našumą ir mažesnį šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą. Jie gali papildyti įprastinius perdirbimo metodus, kurie dažnai reikalauja daug energijos ir rd reaktorių konstrukcijos. Kavitacijos skaičius buvo pasiūlytas kaip sisteminis parametras, leidžiantis optimizuoti reaktoriaus konstrukciją ir sujungti eksperimentinius duomenis su praktiniu taikymu.
2. Didelio poveikio hidrodinaminės kavitacijos galimybės
2.1 Žalios naftos gėlinimas (CDU)
Hidrodinaminės kavitacijos integravimas gėlintuvo įėjime gali pagerinti naftos ir vandens dispersiją ir druskų pašalinimą. Mikroturbulencija, šlytis ir lokalizuoti slėgio svyravimai skatina stabilių emulsijų skilimą, todėl susidaro smulkūs, vienodi lašeliai, kurie pagerina vandens ir alyvos kontaktą ir pagreitina koalescenciją. Dėl to gali sumažėti likutinis druskų kiekis, sumažėti užsiteršimas ir korozija, pagerėti šilumos mainų efektyvumas [2]. Hidrodinaminės kavitacijos įrenginius galima įrengti kaip kompaktiškus linijinius skiedinius, minimaliai modifikuojant esamą gėlinimo infrastruktūrą.
2.2 Uždelstasis koksavimas (DCU)
Hidrodinaminės kavitacijos taikymas vakuuminėms liekanoms prieš koksavimo šildytuvus gali pagerinti pašaro homogenizaciją ir sukelti lengvą pirminio perdirbimo poveikį. Šlytis, mikromaišymas ir lokalizuotas šiluminis-mechaninis aktyvavimas skatina dalinę asfalteno dezagregaciją ir klampos sumažėjimą, todėl galima tolygiau vykdyti terminį krekingą [5,3]. Bandomuosiuose tyrimuose pastebėta, kad hidrodinaminė kavitacija, integruota prieš koksavimą, pagerina šildytuvo stabilumą, sumažina kokso nusėdimą ir šiek tiek padidina skystų produktų išeigą. Norint išvengti pernelyg didelio pirminio krekingo, ypač kai žaliavos yra labai aromatinės arba nestabilios, būtina išlaikyti tinkamą kavitacijos intensyvumą [1,3]. Todėl tinkamas hidrodinaminės kavitacijos sistemos projektavimas ir darbo sąlygų optimizavimas yra labai svarbūs saugiam ir veiksmingam įgyvendinimui.
2.3 Skystojo katalizinio krekingo įrenginys (FCCU)
Sunkių žaliavų pirminis paruošimas (pvz, vakuuminė gazolinė alyva arba liekanos) naudojant hidrodinaminę kavitaciją, gali padidinti pašaro homogenizaciją ir iš dalies suardyti asfalteno ir metalų turinčius agregatus, o tai gali sumažinti efektyvųjį teršalų kiekį, kuris prisideda prie CCR susidarymo [6]. Dėl kavitacijos sukeliamo intensyvaus šlyties ir mikromaišymo taip pat gali pagerėti dispersija, masės pernaša ir bendra pašaro reologija, o tai gali padėti padidinti konversijos efektyvumą ir sumažinti užsiteršimo tendencijas. Šis poveikis buvo įrodytas bandomuoju mastu, tačiau iki šiol nėra viešai prieinamų duomenų, patvirtinančių, kad FCC būtų įgyvendinta visu mastu. Norint integruoti hidrodinaminę kavitaciją prieš FCC įrenginį, reikia kruopščiai suprojektuoti pašarų įpurškimo sąsają, įskaitant slėgį, temperatūrą, metalurgiją ir suderinamumą su esamomis pašildymo ir pašarų paskirstymo sistemomis.
2.4 Hidroterminiai valytuvai (DHT, CNHT, NHT)
Hidrodinaminės kavitacijos pagalba atliekamas pirminis vandenilio ir alyvos maišymas gali pagerinti H₂ dispersiją ir tarpfazinį kontaktą, potencialiai padidinant nusierinimą, azoto pašalinimą ir olefinų prisotinimą [2,8]. Mikroturbulencija ir šlytis padidina turimą tarpfazinį plotą, sušvelnina masės perdavimo apribojimus, mažinančius katalizatoriaus efektyvumą. Siekiant optimizuoti kavitacijos stiprumą, buvimo laiką ir modulio integraciją, rekomenduojama atlikti bandomąjį patikrinimą. Tinkamai suprojektuoti hidrodinaminės kavitacijos moduliai - slėgiui atsparūs moduliai, kurių medžiagos atitinka proceso sąlygas - gali padėti pasiekti didesnę konversiją per vieną praėjimą ir pagerinti katalizatoriaus ilgaamžiškumą.
2.5 reaktyvinių degalų apdorojimas kaustiku (JCTU)
Atliekant reaktyvinių degalų apdorojimą kaustiku, hidrodinaminė kavitacija sustiprina kaustiko tirpalo ir angliavandenilių sąlytį, pagerina merkaptano ekstrakciją ir produkto stabilumą. Mikromaišymas ir didelis tarpfazinis atsinaujinimas gali sumažinti kaustiko sąnaudas, išlaikant arba pagerinant saldinimo efektyvumą. Inline hidrodinaminės kavitacijos sistemas galima tiesiogiai modernizuoti, minimaliai sutrikdant procesą.
2.6 Alkilinimo įrenginiai (H₂SO₄ ALKY)
Hidrodinaminė kavitacija gali pagerinti rūgšties ir angliavandenilio kontaktą alkilinimo įrenginiuose, skatindama vienodesnes reakcijos sąlygas ir potencialiai pagerindama oktaninį skaičių bei produkto išeigą [6]. Didelis šlyties, mikroturbulencijos ir slėgio svyravimai pagreitina rūgščių katalizuojamas reakcijas. Jiems įgyvendinti reikia griežtos medžiagų atrankos, korozijai atsparios konstrukcijos ir griežtų saugos protokolų. Prieš pradedant naudoti visu mastu, rekomenduojama atlikti bandomąjį patikrinimą.
2.7 Likvidacinių liekanų atnaujinimas ir maišymas
Hidrodinaminė kavitacija gali padėti maišyti ir iš dalies atnaujinti sunkiąsias liekanas ir vakuumines liekanas didinant dispersiją, mažinant klampą ir gerinant bendrą degalų stabilumą.
modernizavimo taikymai
modernizuojant kavitacija skatina asfalteno disagregaciją, lengvą krekingą, klampos mažinimą, perėjimą prie lengvesnių frakcijų ir dumblo mažinimą [2-4]. Įrodyta, kad hidrodinaminės kavitacijos pagalba atliekamas liekanų apdorojimas yra ekonomiškai efektyvesnis už akustinę kavitaciją bandomosios veiklos mastu ir gali pagerinti bitumo savybes, nusierinimą ir emulsijos stabilumą tokiose srityse kaip FCC žaliavos, hidrovalymo įrenginiai ir jūrinis kuras [4,7,8]. Nors daugiausia pranešimų apie naudą gauta laboratorijose ir bandomuosiuose objektuose, saugiam ir veiksmingam įgyvendinimui labai svarbu tinkamai kontroliuoti kavitacijos intensyvumą ir buvimo laiką.
Maišymo taikymas
Maišymo operacijose hidrodinaminė kavitacija skatina smulkių, stabilių dispersijų susidarymą tarp sunkiųjų alyvų ir mažesnio klampumo komponentų, pavyzdžiui, biodyzelino ar pirolizės alyvų. Kavitacijos metu susidarantis didelis šlyties ir mikroturbulencijos poveikis pagerina maišymąsi, sumažina polinkį į fazių atsiskyrimą ir pagerina homogeniškumą laikymo ir tvarkymo metu.
Nepriklausomi bandymai "Bureau Veritas" ir duomenų fizikos laboratorijose patvirtino šiuos patobulinimus. 1 lentelėje pateiktas HFO 380, sumaišyto su 20 % biodyzelino (FAME), palyginimas naudojant įprastinį maišymą rankomis (HD) ir kavitacinį maišymą (CF) su RAPTECH CaviFlow® sistema. Taikant kavitacijos metodą, išmatuojamai pagerėjo tankis, klampumas, sieros kiekis, pelenų kiekis, nuosėdų lygis ir vidutinis stabilumo indeksas (MSI), taip pat sumažėjo katžolių koncentracija. Be to, atlikus FVTR GmbH variklių bandymus, nustatyta, kad kavitacija apdoroto HFO-20 % FAME mišinio degalų sąnaudos sumažėjo nežymiai (~1 %).
Priklausomai nuo laivo dydžio, veiklos profilio ir degalų kainų, toks savybių pagerėjimas gali būti reikšmingai naudingas jūrų sektoriuje, kuriame mazutas išlieka dominuojančiu energijos šaltiniu.
1 lentelė. HFO 380, sumaišyto su 20 % biodyzelino (FAME) naudojant įprastą maišymą rankomis (HD) ir maišymą kavitacijos pagalba (CF), palyginimas.
(1) Sunkiosios alyvos, kurių °API < 22.3 paprastai priskiriami "sunkiajam mazutui".
(2) Nors pliūpsnio temperatūra sumažėjo, abu mišiniai išlieka gerokai aukštesni už ISO 8217 minimalias likutinio jūrinio kuro ribas, todėl užtikrinama atitiktis saugos taisyklėms.
3. Išvados
Hidrodinaminė kavitacija yra universali proceso intensyvinimo priemonė, galinti padėti spręsti keletą nuolatinių naftos perdirbimo problemų, įskaitant žaliavų heterogeniškumą, masės perdavimo apribojimus, užsiteršimą ir didelio klampumo likučių perdirbimą. Hidrodinaminė kavitacija suteikia galimybių pagerinti dispersiją, reakcijų vienodumą ir veiklos stabilumą, kartu potencialiai sumažinant energijos suvartojimą ir poveikį aplinkai.
Perspektyvūs rezultatai, pademonstruoti likučių atnaujinimo ir kavitacija paremto maišymo srityse, ypač geresnis HFO-FAME mišinių apdorojimas ir stabilumas, pabrėžia hidrodinaminės kavitacijos svarbą pereinant prie įvairesnių ir atsinaujinančių degalų srautų tiek naftos perdirbimo, tiek jūrų ir bunkerių kuro sektoriuose. Įvedus ISO 8217:2024 [9] standartą, leidžiantį naudoti jūrinius degalus, kurių sudėtyje yra iki 100 % FAME, dar labiau padidėjo technologijų, galinčių stabilizuoti sunkiųjų naftos frakcijų mišinius su alternatyviais degalais, poreikis. Hidrodinaminės kavitacijos gebėjimas sumažinti klampą, pagerinti fazių stabilumą ir sušvelninti nuosėdų ir teršalų problemas leidžia ją laikyti praktine priemone šioje besikeičiančioje aplinkoje.
Sėkmingas pritaikymas pramonėje priklausys nuo:
Nors dabartiniai įrodymai yra daugiausia bandomojo masto, hidrodinaminės kavitacijos pagalba atliekamas sunkiosios naftos apdorojimas ir degalų maišymas rodo vilčių teikiančias galimybes didinti naftos perdirbimo efektyvumą, sudaryti sąlygas alternatyvių degalų integracijai ir remti platesnius dekarbonizacijos ir tvarumo tikslus [4]. Šie privalumai yra tiesiogiai pritaikomi jūrinio/bunkerinio kuro sektoriuje, užtikrinant veiklos, aplinkosaugos ir degalų kokybės gerinimą.
Autorius: Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Nuorodos
Naujausi praktiniai rezultatai, įskaitant likučių maišymą ir atnaujinimą, rodo išmatuojamą naudą maišant sunkųjį mazutą su alternatyviaisiais degalais. Kavitacijos pagalba maišant HFO su 20 % FAME pagerėjo klampos, tankio, nuosėdų kiekio ir stabilumo rodikliai, taip pat sumažėjo katino dalelių ir šiek tiek padidėjo degalų sąnaudos. Šios išvados rodo hidrodinaminės kavitacijos svarbą ne tik naftos perdirbimo procesams, bet ir jūrinio kuro ir (arba) bunkerinio kuro sektoriui, ypač atsižvelgiant į ISO 8217:2024 standartą, pagal kurį leidžiama naudoti jūrinį kurą, kurio sudėtyje yra iki 100 % FAME. Rezultatai atspindi platesnę pramonės tendenciją pereiti prie mažai anglies dioksido į aplinką išskiriančių, atsinaujinančių ir labiau kintančių žaliavų.
Apskritai hidrodinaminė kavitacija ir RAPTECH's CaviFlow® įrenginiai yra perspektyvus būdas pagerinti perdirbimo galimybes, sumažinti energijos poreikį ir paremti perėjimą prie tvaresnių naftos perdirbimo ir jūrinių degalų sistemų. Nors dauguma duomenų gauti atlikus laboratorinius ir bandomuosius tyrimus, nauji demonstraciniai pavyzdžiai, įskaitant likučių maišymą ir modernizavimą, rodo hidrodinaminės kavitacijos praktinio pritaikymo pramonėje galimybes.
1. Įvadas
Naftos perdirbimo procesai yra svarbiausi perdirbant žalią naftą į transporto degalus, naftos chemijos žaliavas ir didelės vertės produktus. Efektyvumą ir produktų kokybę dažnai riboja žaliavų heterogeniškumas, katalizatoriaus deaktyvacija, užsiteršimas ir masės pernašos apribojimai. Vis dažniau naudojant sunkiąją ir labai sunkiąją žaliąją naftą, kuri sudaro didelę išgaunamų pasaulinių atsargų dalį, kyla papildomų sunkumų dėl didelės klampos, mažo API svorio (<20°) ir padidėjusio asfalteno kiekio [1]. Šios savybės trukdo šilumos ir masės perdavimui, spartina užsiteršimą ir didina kokso susidarymą terminiuose ir kataliziniuose procesuose.
Hidrodinaminė kavitacija tapo svarbia procesų intensyvinimo strategija. Ji sukuria kontroliuojamus mikroburbuliukus, lokalizuotus karštuosius taškus, ekstremalius šlyties ir slėgio gradientus, kurie gali sustiprinti chemines reakcijas, fazių dispersiją ir masės pernašą. Lyginant su įprastiniu mechaniniu maišymu ar cheminiais priedais, hidrodinaminė kavitacija yra potencialiai efektyvus energijos vartojimo požiūriu ir mažai cheminių medžiagų reikalaujantis metodas, padedantis spręsti naftos perdirbimo gamyklų kliūčių problemą [2]. Hidrodinaminė kavitacija gali būti derinama su katalizatoriais, paviršinio aktyvumo medžiagomis, švelniais oksidatoriais (pvz, H₂O₂, ozonu) arba UV spinduliais, siekiant dar labiau padidinti reakcijos efektyvumą ir švaresnius perdirbimo rezultatus [2].
Mechaniškai kavitacija gali sukelti angliavandenilių molekulinio lygmens modifikacijas, įskaitant asfalteno dezagregaciją, dalinį skilimą ir reologinių savybių pokyčius, kurie pagerina žaliavos tvarkymą ir reakcijos efektyvumą [3]. Hidrodinaminės kavitacijos pritaikymas pramoninėje veikloje yra sudėtingas uždavinys, nes nėra standartizuoto kavitacijos intensyvumo kiekybinio įvertinimo metodo skirtingiems skysčiams, o tai reikalauja didelių kapitalo ir veiklos sąnaudų [1,4]. Laboratorinių ir bandomųjų tyrimų duomenys rodo, kad hidrodinaminė kavitacija gali pagerinti technologinį našumą ir efektyvumą, nors pramoninis patvirtinimas vis dar yra ribotas.
Hidrodinamine kavitacija paremti procesai gali būti naudingi eksploatacijai ir aplinkai, įskaitant mažesnį energijos suvartojimą, didesnį našumą ir mažesnį šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą. Jie gali papildyti įprastinius perdirbimo metodus, kurie dažnai reikalauja daug energijos ir rd reaktorių konstrukcijos. Kavitacijos skaičius buvo pasiūlytas kaip sisteminis parametras, leidžiantis optimizuoti reaktoriaus konstrukciją ir sujungti eksperimentinius duomenis su praktiniu taikymu.
2. Didelio poveikio hidrodinaminės kavitacijos galimybės
2.1 Žalios naftos gėlinimas (CDU)
Hidrodinaminės kavitacijos integravimas gėlintuvo įėjime gali pagerinti naftos ir vandens dispersiją ir druskų pašalinimą. Mikroturbulencija, šlytis ir lokalizuoti slėgio svyravimai skatina stabilių emulsijų skilimą, todėl susidaro smulkūs, vienodi lašeliai, kurie pagerina vandens ir alyvos kontaktą ir pagreitina koalescenciją. Dėl to gali sumažėti likutinis druskų kiekis, sumažėti užsiteršimas ir korozija, pagerėti šilumos mainų efektyvumas [2]. Hidrodinaminės kavitacijos įrenginius galima įrengti kaip kompaktiškus linijinius skiedinius, minimaliai modifikuojant esamą gėlinimo infrastruktūrą.
2.2 Uždelstasis koksavimas (DCU)
Hidrodinaminės kavitacijos taikymas vakuuminėms liekanoms prieš koksavimo šildytuvus gali pagerinti pašaro homogenizaciją ir sukelti lengvą pirminio perdirbimo poveikį. Šlytis, mikromaišymas ir lokalizuotas šiluminis-mechaninis aktyvavimas skatina dalinę asfalteno dezagregaciją ir klampos sumažėjimą, todėl galima tolygiau vykdyti terminį krekingą [5,3]. Bandomuosiuose tyrimuose pastebėta, kad hidrodinaminė kavitacija, integruota prieš koksavimą, pagerina šildytuvo stabilumą, sumažina kokso nusėdimą ir šiek tiek padidina skystų produktų išeigą. Norint išvengti pernelyg didelio pirminio krekingo, ypač kai žaliavos yra labai aromatinės arba nestabilios, būtina išlaikyti tinkamą kavitacijos intensyvumą [1,3]. Todėl tinkamas hidrodinaminės kavitacijos sistemos projektavimas ir darbo sąlygų optimizavimas yra labai svarbūs saugiam ir veiksmingam įgyvendinimui.
2.3 Skystojo katalizinio krekingo įrenginys (FCCU)
Sunkių žaliavų pirminis paruošimas (pvz, vakuuminė gazolinė alyva arba liekanos) naudojant hidrodinaminę kavitaciją, gali padidinti pašaro homogenizaciją ir iš dalies suardyti asfalteno ir metalų turinčius agregatus, o tai gali sumažinti efektyvųjį teršalų kiekį, kuris prisideda prie CCR susidarymo [6]. Dėl kavitacijos sukeliamo intensyvaus šlyties ir mikromaišymo taip pat gali pagerėti dispersija, masės pernaša ir bendra pašaro reologija, o tai gali padėti padidinti konversijos efektyvumą ir sumažinti užsiteršimo tendencijas. Šis poveikis buvo įrodytas bandomuoju mastu, tačiau iki šiol nėra viešai prieinamų duomenų, patvirtinančių, kad FCC būtų įgyvendinta visu mastu. Norint integruoti hidrodinaminę kavitaciją prieš FCC įrenginį, reikia kruopščiai suprojektuoti pašarų įpurškimo sąsają, įskaitant slėgį, temperatūrą, metalurgiją ir suderinamumą su esamomis pašildymo ir pašarų paskirstymo sistemomis.
2.4 Hidroterminiai valytuvai (DHT, CNHT, NHT)
Hidrodinaminės kavitacijos pagalba atliekamas pirminis vandenilio ir alyvos maišymas gali pagerinti H₂ dispersiją ir tarpfazinį kontaktą, potencialiai padidinant nusierinimą, azoto pašalinimą ir olefinų prisotinimą [2,8]. Mikroturbulencija ir šlytis padidina turimą tarpfazinį plotą, sušvelnina masės perdavimo apribojimus, mažinančius katalizatoriaus efektyvumą. Siekiant optimizuoti kavitacijos stiprumą, buvimo laiką ir modulio integraciją, rekomenduojama atlikti bandomąjį patikrinimą. Tinkamai suprojektuoti hidrodinaminės kavitacijos moduliai - slėgiui atsparūs moduliai, kurių medžiagos atitinka proceso sąlygas - gali padėti pasiekti didesnę konversiją per vieną praėjimą ir pagerinti katalizatoriaus ilgaamžiškumą.
2.5 reaktyvinių degalų apdorojimas kaustiku (JCTU)
Atliekant reaktyvinių degalų apdorojimą kaustiku, hidrodinaminė kavitacija sustiprina kaustiko tirpalo ir angliavandenilių sąlytį, pagerina merkaptano ekstrakciją ir produkto stabilumą. Mikromaišymas ir didelis tarpfazinis atsinaujinimas gali sumažinti kaustiko sąnaudas, išlaikant arba pagerinant saldinimo efektyvumą. Inline hidrodinaminės kavitacijos sistemas galima tiesiogiai modernizuoti, minimaliai sutrikdant procesą.
2.6 Alkilinimo įrenginiai (H₂SO₄ ALKY)
Hidrodinaminė kavitacija gali pagerinti rūgšties ir angliavandenilio kontaktą alkilinimo įrenginiuose, skatindama vienodesnes reakcijos sąlygas ir potencialiai pagerindama oktaninį skaičių bei produkto išeigą [6]. Didelis šlyties, mikroturbulencijos ir slėgio svyravimai pagreitina rūgščių katalizuojamas reakcijas. Jiems įgyvendinti reikia griežtos medžiagų atrankos, korozijai atsparios konstrukcijos ir griežtų saugos protokolų. Prieš pradedant naudoti visu mastu, rekomenduojama atlikti bandomąjį patikrinimą.
2.7 Likvidacinių liekanų atnaujinimas ir maišymas
Hidrodinaminė kavitacija gali padėti maišyti ir iš dalies atnaujinti sunkiąsias liekanas ir vakuumines liekanas didinant dispersiją, mažinant klampą ir gerinant bendrą degalų stabilumą.
modernizavimo taikymai
modernizuojant kavitacija skatina asfalteno disagregaciją, lengvą krekingą, klampos mažinimą, perėjimą prie lengvesnių frakcijų ir dumblo mažinimą [2-4]. Įrodyta, kad hidrodinaminės kavitacijos pagalba atliekamas liekanų apdorojimas yra ekonomiškai efektyvesnis už akustinę kavitaciją bandomosios veiklos mastu ir gali pagerinti bitumo savybes, nusierinimą ir emulsijos stabilumą tokiose srityse kaip FCC žaliavos, hidrovalymo įrenginiai ir jūrinis kuras [4,7,8]. Nors daugiausia pranešimų apie naudą gauta laboratorijose ir bandomuosiuose objektuose, saugiam ir veiksmingam įgyvendinimui labai svarbu tinkamai kontroliuoti kavitacijos intensyvumą ir buvimo laiką.
Maišymo taikymas
Maišymo operacijose hidrodinaminė kavitacija skatina smulkių, stabilių dispersijų susidarymą tarp sunkiųjų alyvų ir mažesnio klampumo komponentų, pavyzdžiui, biodyzelino ar pirolizės alyvų. Kavitacijos metu susidarantis didelis šlyties ir mikroturbulencijos poveikis pagerina maišymąsi, sumažina polinkį į fazių atsiskyrimą ir pagerina homogeniškumą laikymo ir tvarkymo metu.
Nepriklausomi bandymai "Bureau Veritas" ir duomenų fizikos laboratorijose patvirtino šiuos patobulinimus. 1 lentelėje pateiktas HFO 380, sumaišyto su 20 % biodyzelino (FAME), palyginimas naudojant įprastinį maišymą rankomis (HD) ir kavitacinį maišymą (CF) su RAPTECH CaviFlow® sistema. Taikant kavitacijos metodą, išmatuojamai pagerėjo tankis, klampumas, sieros kiekis, pelenų kiekis, nuosėdų lygis ir vidutinis stabilumo indeksas (MSI), taip pat sumažėjo katžolių koncentracija. Be to, atlikus FVTR GmbH variklių bandymus, nustatyta, kad kavitacija apdoroto HFO-20 % FAME mišinio degalų sąnaudos sumažėjo nežymiai (~1 %).
Priklausomai nuo laivo dydžio, veiklos profilio ir degalų kainų, toks savybių pagerėjimas gali būti reikšmingai naudingas jūrų sektoriuje, kuriame mazutas išlieka dominuojančiu energijos šaltiniu.
1 lentelė. HFO 380, sumaišyto su 20 % biodyzelino (FAME) naudojant įprastą maišymą rankomis (HD) ir maišymą kavitacijos pagalba (CF), palyginimas.
| Parametras | Vienetas | Maišymas (HD) | Maišymas (CF) | Pagerėjimas (%) |
|---|---|---|---|---|
| Tankis 50 °C temperatūroje | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API @ 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Kinematinė klampa 50 °C temperatūroje | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Sieros kiekis | % (m/m) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Pelenų turinys | % (m/m) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Įpylimo taškas | °C | -15 | -15 | 0 |
| Pliūpsnio temperatūra (2) | °C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Bendras nuosėdų potencialas | % (m/m) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Bendras nuosėdų kiekis Esama | % (m/m) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Vidutinis stabilumo indeksas (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Katės smalkės (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Sunkiosios alyvos, kurių °API < 22.3 paprastai priskiriami "sunkiajam mazutui".
(2) Nors pliūpsnio temperatūra sumažėjo, abu mišiniai išlieka gerokai aukštesni už ISO 8217 minimalias likutinio jūrinio kuro ribas, todėl užtikrinama atitiktis saugos taisyklėms.
3. Išvados
Hidrodinaminė kavitacija yra universali proceso intensyvinimo priemonė, galinti padėti spręsti keletą nuolatinių naftos perdirbimo problemų, įskaitant žaliavų heterogeniškumą, masės perdavimo apribojimus, užsiteršimą ir didelio klampumo likučių perdirbimą. Hidrodinaminė kavitacija suteikia galimybių pagerinti dispersiją, reakcijų vienodumą ir veiklos stabilumą, kartu potencialiai sumažinant energijos suvartojimą ir poveikį aplinkai.
Perspektyvūs rezultatai, pademonstruoti likučių atnaujinimo ir kavitacija paremto maišymo srityse, ypač geresnis HFO-FAME mišinių apdorojimas ir stabilumas, pabrėžia hidrodinaminės kavitacijos svarbą pereinant prie įvairesnių ir atsinaujinančių degalų srautų tiek naftos perdirbimo, tiek jūrų ir bunkerių kuro sektoriuose. Įvedus ISO 8217:2024 [9] standartą, leidžiantį naudoti jūrinius degalus, kurių sudėtyje yra iki 100 % FAME, dar labiau padidėjo technologijų, galinčių stabilizuoti sunkiųjų naftos frakcijų mišinius su alternatyviais degalais, poreikis. Hidrodinaminės kavitacijos gebėjimas sumažinti klampą, pagerinti fazių stabilumą ir sušvelninti nuosėdų ir teršalų problemas leidžia ją laikyti praktine priemone šioje besikeičiančioje aplinkoje.
Sėkmingas pritaikymas pramonėje priklausys nuo:
- Tikslaus kavitacijos intensyvumo valdymo, siekiant subalansuoti efektyvumo padidėjimą ir įrangos vientisumą.
- Suderinamumo su aukštos temperatūros, korozijos ar didelio klampumo technologiniais srautais užtikrinimas.
- HC modulių integravimas į esamas naftos perdirbimo gamyklų konfigūracijas, nesutrikdant svarbiausių procesų valdymo.
Nors dabartiniai įrodymai yra daugiausia bandomojo masto, hidrodinaminės kavitacijos pagalba atliekamas sunkiosios naftos apdorojimas ir degalų maišymas rodo vilčių teikiančias galimybes didinti naftos perdirbimo efektyvumą, sudaryti sąlygas alternatyvių degalų integracijai ir remti platesnius dekarbonizacijos ir tvarumo tikslus [4]. Šie privalumai yra tiesiogiai pritaikomi jūrinio/bunkerinio kuro sektoriuje, užtikrinant veiklos, aplinkosaugos ir degalų kokybės gerinimą.
Autorius: Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Nuorodos
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Sunkiosios naftos perdirbimas: Ateities degalų pasiūlos išlaisvinimas. 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 (Valdoma hidrodinaminė kavitacija): A Review of Recent Advances and Perspectives for Greener Processing (Naujausių pasiekimų apžvalga ir ekologiškesnio perdirbimo perspektyvos). 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. Sunkiosios naftos klampumo mažinimo vandenilio donorais, naudojant kavitacinę srovę, eksperimentinis tyrimas. 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: Apžvalga: pagrindinių pagrindų, trūkstamų proceso duomenų ir ekonominio pagrįstumo perspektyva. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- CIMAC Degalų darbo grupė. CIMAC gairės: ISO 8217:2024. CIMAC, 2024 M.
